[发明专利]小型无人直升机的姿态误差快速收敛自适应控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型无人直升机非线性控制方法，特别是涉及一种基于二阶自适应终端 滑模的小型无人直升机自适应控制方法。具体讲,涉及小型无人直升机的姿态误差快速收敛自 适应控制方法。

背景技术

小型无人直升机作为旋翼无人机中的一种,具有可垂直起降、良好的机动性、能完成定点 悬停、可低空飞行等优点。主要应用于军事侦察、搜索救援、气象观测、农药喷洒、建筑测 绘等军用及民用领域。无人直升机系统具有静不稳、非线性、强耦合、强不确定性等特性， 其控制器的设计一直都是国内外研究的热点及难点。

目前针对无人直升机的控制方法可被分为三类：线性控制、非线性控制、智能控制。线 性控制器基于直升机的近似线性模型进行设计，常用的线性控制方法有PID(比例微分积分)、 LQR(线性二次型调节器)、H无穷等。线性控制器设计简单，已经被广泛用于直升机实验平台 的控制中，但线性控制器只能应用于系统状态位于平衡点附近的情况，有较大的局限性(期 刊：JournalofIntelligentandRoboticSystems；著者：GodboltB,VitzilaiosNI, LynchAF；出版年月：2013；文章题目：Experimentalvalidationofahelicopterautopilot designusingmodel-basedPIDcontrol；页码：385-399)。

为了克服线性控制器的缺点，可以采用非线性控制器，非线性控制可以实现无人直升机 大范围飞行包线的精确跟踪控制，但控制精度较为依赖被控系统数学模型的精确程度。针对 无人机数学模型中的参数不确定和外界不可测扰动问题，SuzukiS等人基于反步法和自适应 控制方法，设计姿态跟踪控制器,使得控制器具有较好的控制精度和一定的鲁棒性(期刊： JournalofSystemDesignandDynamics；著者：SuzukiS,NonamiK；出版年月：2011； 文章题目：NonlinearAdaptiveControlforSmall-ScaleHelicopter；页码：866-880)。 LiuC等人则采用非线性型模型预测控制并加入扰动观测器来实现对不确定信息的鲁棒性能 (期刊：ControlEngineeringPractice；著者：LiuC,ChenWH,AndrewsJ；出版年月： 2012；文章题目：Trackingcontrolofsmall-scalehelicoptersusingexplicitnonlinear MPCaugmentedwithdisturbanceobservers；页码：258-268)。

近年来随着智能控制理论的发展，研究人员也将智能控制算法应用于直升机的控制中， 取得了成功。常用的方法有神经网络、模糊逻辑等。智能控制算法不依赖于被控对象的数学 模型知识，实现简单，但其缺乏系统的稳定性证明理论(期刊：JournalofIntelligentand RoboticSystems；著者：GarrattM,AnavattiS；出版年月：2012；文章题目：Nonlinear controlofheaveforanunmannedhelicopterusinganeuralnetwork；页码：495-504)。

在众多控制方法中，滑模控制作为一种经典的鲁棒控制方法，通过加入不连续的开关切 换项来克服系统内部不确定性和外界扰动的影响，强迫系统状态沿着设定的滑模面轨迹运动， 具有结构简单、性能好、鲁棒性强的优点，被广泛用于实际被控系统的控制中(期刊：控制 理论与应用；著者：刘金琨，孙富春；出版年月：2007；文章标题：滑模变结构控制理论及 其算法研究与进展；页码：407-418)。传统滑模控制虽然性能优良，但也存在着一些缺陷.第 一，滑模面的设计采用系统状态的线性组合形式，使得系统状态最终达到渐近收敛，不适用 于某些对控制精度有高要求的场合。第二，由于存在不连续的切换项，将使得控制输入产生 抖振现象。在实际应用中，抖振现象可能产生高频响应，造成系统不稳定，也会导致执行器 损坏。第三，滑模控制中控制增益的选取需要对系统不确定性的上界有一个先验的估计。控 制增益选取过小，将会丧失控制能力，导致系统不稳定；控制增益选取过大，将会带来较大 的抖振，浪费了控制能量，也将影响控制精度。

发明内容