[发明专利]一种基于L1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法

说明书

本发明提出了一种基于自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法。首先，针对尾座式无人机的非线性动力学和运动学模型设计自适应控制器，其中包括位置自适应控制器和角度自适应控制器两部分，以实现期望的轨迹跟踪性能；然后，为了确保飞行的可靠性，在尾座式无人机的模型中加入执行机构损伤故障，进行容错控制，实现故障状态下的轨迹跟踪。相比于其他的控制方法，本发明不仅可以用一套参数进行控制，操作方便，还能有效减少外部干扰和不确定性对于结果的影响，提高了尾座式无人机的稳定性，从而达成所期望的轨迹跟踪性能。

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，具体提出了一种基于自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法。

背景技术

与有人驾驶飞机相比，无人机具有体积小、成本低等优点，最重要的是它对作战环境要求低，战场生存能力强，可以减少人员伤亡。初期，无人机可分为旋翼无人机和固定翼无人机。尾座式无人机作为一种新型的无人机，起源于二战期间的德国，战争破坏了机场跑道，飞机起飞场地受到很大限制，尾座式无人机可垂直起飞和降落的特点满足了发射场地的减少的限制条件。尾座式无人机是旋翼无人机和固定翼无人机的结合，同时也具备旋翼机和固定翼飞机的优点，它不仅可以像旋翼机那样实现垂直起降，还可以像固定翼飞机那样负担大重载。由于其独特的特点，它在生产和生活中越来越受欢迎，在各个领域都有广泛应用。

尾座式无人机的轨迹跟踪的难点在于尾座式无人机飞行的过渡段，经过这个阶段尾座式无人机可以实现平飞状态和垂直状态的转换。在这一过程中，尾座式无人机的攻角急剧变化，使空气动力的变化十分剧烈，这就使此过程中的不确定性大大增加。不仅如此，在轨迹跟踪的过程中，还要对尾座式无人机执行机构损伤的故障情况进行容错控制。容错控制是一种重要的控制方法，决定着飞行器的可靠性和安全性。

为了保证尾座式无人机在执行机构损伤的情况下能按照规定的轨迹飞行，本发明提出了一种基于自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法，其中包括了位置自适应控制器和角度自适应控制器。自适应控制器是由Hovakimyan等人与2012年提出的，是一种快速的，鲁棒性很强的自适应控制，通过在控制律设计中加入低通滤波器，保证了控制律设计与自适应律设计的分离。自适应控制器适用对象是具有不确定性的系统，其中的自适应量可以用于补偿一些未知随机因素和环境不确定干扰带来的误差，从而实现在损伤状态下的轨迹跟踪。通过与H_∞控制器的效果对比，突出自适应控制器的优越性。

发明内容

本发明旨在克服现有控制方法的不足，针对尾座式无人机，提出一种基于自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法，使尾座式无人机在执行机构损伤故障下可以快速，准确地实现包含过渡段的轨迹跟踪。

本发明采用的技术方案为:一种基于自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法，包括如下步骤：

步骤一：给定期望的俯仰轨迹trajx和trajz。

步骤二：建立尾座式无人机的非线性动力学和运动学模型。

步骤三：设计自适应控制器，包括位置自适应控制器和角度自适应控制器。

步骤四：将自适应控制器应用于尾座式无人机，进行轨迹跟踪仿真，并与H_∞控制器进行对比。

其中，在步骤二中所描述的尾座式非线性无人机动力学和运动学模型的建立方法如下:

以如图1所示的六自由度尾座式无人机为例，认为此六自由度尾座式无人机为刚体其受力特性如图2所示，动力学和运动学模型可以描述如下：