[发明专利]小型无人直升机无动力学模型结构自适应姿态控制方法

说明书

本发明属于小型单旋翼无人直升机飞行控制研究领域，避免设计控制器时对系统模型的严重依赖以及未建模动态下的鲁棒性分析问题，设计一种新型的无模型结构自适应滑模控制器，具有准滑模模态和输入有界等稳定性特征，设计的控制器仅仅需要系统的输入输出数据可实现无人直升机的姿态控制。为此，本发明采用的技术方案是，无人直升机姿态无模型结构自适应滑模控制方法，对于俯仰和滚转通道采用多输入多输出系统分析，偏航通道采用单输入单输出系统分析；具体步骤如下：一、俯仰和滚转通道多输入多系统分析二、偏航通道单输入单输出系统分析三、控制器设计与稳定性分析。本发明主要应用于小型单旋翼无人直升机飞行控制研究场合。

技术领域

本发明属于小型单旋翼无人直升机飞行控制研究领域。具体讲，涉及无人直升机姿态无模型结构自适应滑模控制方法。

背景技术

小型无人直升机是不需要人驾驶、能够完成自主飞行任务的特殊飞行器。此类飞行器具有垂直起降、低空飞行等诸多特点，在各个领域得到了广泛的应用。同时，由于无人直升机具有强耦合、复杂的动力学特性、非线性等特点，使得对无人直升机的动力学分析和控制设计较困难。

近年来，无人直升机的飞行控制受到了国内外学者的广泛关注。线性控制如：LQR(线性调节控制:Linear Quadratic Regulator)(会议：Proceedings of the IEEEInternational Conference on Automation and Logistics；著者：Guowei Cai,AlvinK.Cai,Ben M.Chen,Tong H.Lee；出版年月：2008年；文章题目：Construction,modelingand control of a mini autonomous UAV helicopter；页码：449-454)、H无穷控制(期刊：Automatica；著者：Chen BM,Lin Z,Liu K；出版年月：2002年；文章题目：Robust andperfect tracking of discrete time systems；页码：293-299) 等方法应用于无人机控制中，但是线性控制方法大都是基于线性化的模型设计控制器，其处理系统耦合、不确定因素的能力有限，也无法满足大范围飞行包线的需求。为了克服线性控制的不足，非线性控制算法如：反步法(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者：Raptis I A,Valavanis K P,Vachtsevanos G J；出版年月：2012年；文章题目：LinearTracking Control for Small Scale Unmanned Helicopters；页码：995–1010)、动态逆控制(期刊：IET Control Theory and Applications；著者：Morales R M,Turner M C,CourtP；出版年月：2014年；文章题目：Force Control of A Semi-active Valve Lag Damperfor Vibration Reduction in Helicopters；页码：409–419)、滑模控制(期刊：IEEETransactions on Control Systems Technology；著者： Leonard F,Martini A,Abba G；出版年月：2012年；文章题目：Robust Nonlinear Controls of Model-Scale HelicoptersUnder Lateral and Vertical Wind Gusts；页码：154–163)、神经网络控制 (期刊：IEEETransactions on Neural Networks and Learning Systems；著者：Nodland D,Zargarzadeh H,Jagannathan S；出版年月：2013年；文章题目：Neural Network BasedOptimal Adaptive Output Feedback Control of A Helicopter UAV；页码：1061–1073)等应用于无人机控制中，非线性算法的应用很大程度上提高了无人直升机的飞行性能。但是现有的非线性控制方法对系统的模型依赖较高，但无论系统模型多么复杂，其输入输出数据是可以获取的，因此考虑采取数据驱动控制技术。