[发明专利]一种基于JAYA算法优化的小型无人直升机航向控制方法

说明书

本发明公开了一种基于JAYA算法优化的小型无人直升机航向控制方法，用来解决小型无人机直升机在模型不确定性和外界干扰下的航向通道控制问题。通过牛顿‑欧拉法获得无人直升机的偏航动力学模型，在平衡点处对模型作简化处理，同时计入了偏航角速率反馈机制；选择具有切换功能的非奇异快速终端滑模函数来设计偏航控制器，并在Lyapunov理论框架下证明系统误差能在有限时间收敛到零；引入JAYA算法对上述控制器的参数进行整定，保证了优化的质量与效率；在Matlab/Simulink的仿真环境中对该控制策略的有效性进行验证。本发明可以有效解决小型无人直升机的抗干扰控制问题，抑制中传统滑模控制中的抖振现象，提高系统控制精度与鲁棒性，实现小型无人直升机高精度轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制器技术领域，特别是涉及一种基于JAYA算法优化的小型无人直升机航向控制方法。

背景技术

近年来，旋翼飞行器在军用与民用领域需求倍增，如战场勘察、地理测绘、旅游航拍、交通管制、环境监测等，根据旋翼数目的不同，旋翼飞行器可分为单旋翼和多旋翼；单旋翼前飞时升阻比要高于多旋翼，空气动力性能好；与多旋翼依赖转速来控制升力或转向不同，单旋翼只需调整旋翼桨距就可实现，故拥有更长的续航能力和更强的抗风能力。

因此，本文以单旋翼小型无人机直升机为研究对象，在小型无人机直升机控制结构中，航向通道控制影响着整个飞行器的操控品质与机动性能，所以航向控制一直是学者们研究的重点，然而，由于小型无人机直升机一个强耦合、欠驱动的非线性系统，设计高质量的航向控制器有着巨大的挑战。

对于小型无人机直升机航向控制的研究，文献报道持续更新、未曾中断，例如，Marcel等利用混合控制算法实现了小型无人机直升机的偏航稳定控制，即引入LQR控制策略配置无人机系统中的不稳定极点，并用PID算法镇定住偏航通道的状态量(BERGERMAN M,AMIDI O,MILLER J R,et al.Cascaded position and heading control of a robotichelicopter[C]//2007IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robotsand Systems.IEEE,2007:135-140.)；Raptis等针对小型无人机直升机的解耦动力学模型采用PID算法设计了轨迹跟踪控制器，在仿真环境下通过控制偏航角实现了螺旋上升曲线和8字型曲线的跟踪(RAPTIS I A,VALAVANIS K P.Linear and nonlinear control ofsmall-scale unmanned helicopters[M].Springer ScienceBusiness Media,2010:73-102.)；在由参数辨识方法获得无人直升机的航向线性模型后，Ding等采用线性自抗扰控制器使得飞行器在仿真和试验环境中获得了不错的操控品质(Ding L,Ma R,Wu H,et al.Yawcontrol of an unmanned aerial vehicle helicopter using linear activedisturbance rejection control[J].Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2017,231(6):427-435.)；但上述这些线性控制策略具有一定的局限性，即不能描述大范围的飞行包线，当遇到突发状况时，往往需要靠提高控制增益量来修正当前状态，这可能会导致执行器饱和，严重时甚至会破坏动力单元，作为一种非线性控制策略，滑模控制在无人机控制中受到了学者们的青睐。

虽然该控制策略能提高无人机对周遭环境的鲁棒性与适应性，但也存在强抖振、大超、长调整时间的缺陷，另外，当无人机在高空飞行时往往会遭遇到五到六级以上的阵风，因此控制器设计时还必须考虑抗干扰性，为此，本申请本间采用切换控制的思想来改进非奇异快速终端滑模函数，保证系统状态量能在有限时间内到达平衡点，加快系统的动态响应，满足偏航角的快速控制的需求。