[发明专利]一种混合构型固定翼无人机机动仿真控制律设计方法

权利要求书

1.一种混合构型固定翼无人机机动仿真控制律设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据固定翼无人机的特征参数，包括质量、惯性矩、惯性积、弦长、展长、机翼面积、气动静导数以及动导数，根据飞机飞行动力学对固定翼无人机进行六自由度建模，建模过程包括地面坐标系、机体坐标系、气流坐标系、航迹坐标系以及各坐标系之间的转换矩阵；

步骤2、建立基于非线性动态逆方法的控制律核心模块，通过数值方法求解得到任意状态下的控制矩阵，即通过代入0输入值方法求解控制矩阵F，通过数值差分方法求解控制矩阵G，控制律核心包括内环和外环，外环根据迎角、侧滑角和速度滚转角指令求解得到三轴角速度指令，内环根据角速度指令求解得到舵面指令；

步骤3、分析所需仿真机动的飞行剖面，根据运动学特征划分机动阶段，提取每阶段关键参数，确定所需控制的飞行指令，制定机动控制流程图；

步骤4、根据步骤3得到的控制指令类型和机动控制流程图，确定所需的控制律构型，然后针对所需仿真机动的飞行特征，确定飞行指令的具体数值；

步骤5、集成步骤1建立的固定翼无人机六自由度本体运动模型、步骤2建立的无人机控制律核心以及步骤4建立的控制律具体构型，结合飞行指令，完成对所需无人机机动的仿真；

步骤1所述的固定翼无人机六自由度非线性数学模型，其基本方程如下：

式中，式中，m表示无人机质量，g表示当地重力加速度，α和β分别表示无人机的迎角和侧滑角，u、v、w分别为无人机在机体坐标系下的三轴速度分量，p、q、r分别表示无人机在机体坐标系下的俯仰、滚转、偏航角速率，φ、θ和ψ分别表示无人机的滚转角、俯仰角和偏航角，x_E、y_E、z_E分别表示无人机对地面坐标系三个方向的投影位置；q₁至q₄表示用于计算姿态的四元数，c₁至c₉表示和本体转动惯量相关的参数，和分别表示无人机在机体坐标系下受到的三个方向的气动力和气动力矩，对于X_th、Y_th、Z_th和M_T、N_T、L_T分别表示无人机在机体坐标系下受到的三个方向的发动机推力和发动机推力矩；

步骤2所述控制律核心，其基本思路如下：

对于多输入多输出非线性系统

令则

u＝G^-1(x)(-F(x)+K_c(x_c-x))

式中，u表示控制矩阵，x_c表示目标控制量矩阵，K_c表示增益系数矩阵；

所使用的目标控制量矩阵包括：

(1)内环变量：俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度；

(2)外环变量：迎角、侧滑角、速度滚转角；

步骤3所述的机动阶段包括：

(1)水平面内连续S转弯；

(2)破S机动；

(3)桶滚机动；

步骤4所述的控制律构型包括：

(1)高度-航迹偏角-速度构型；

(2)俯仰角速度-滚转角速度-油门构型；

(3)迎角-滚转角速度-油门构型；

步骤5所述的飞行指令包括：

(1)高度指令；

(2)航迹偏角指令；

(3)速度指令；

(4)俯仰角速度指令；

(5)滚转角速度指令；

(6)油门指令；

(7)迎角指令。

2.根据权利要求1所述的一种混合构型固定翼无人机机动仿真控制律设计方法，其特征在于，所使用的矩阵F(x)和G(x)通过数值方法求解，即对于任意x，令u＝0，则而G(x)通过数值差分的方式求得。