[发明专利]基于分数阶自抗扰的火星无人机设计方法和系统

说明书

本发明提供了一种基于分数阶自抗扰的火星无人机设计方法和系统，应用于目标火星无人机；目标火星无人机为共轴双桨四旋翼火星无人机；包括：基于分数阶PID控制器，设计分数阶自抗扰控制器；将分数阶自抗扰控制器确定为目标火星无人机的控制器。本发明通过分数阶PID控制器设计分数阶自抗扰控制器，并应用于共轴双桨四旋翼火星无人机，相比于线性自抗扰控制器灵活性更高、鲁棒性更好，缓解了现有技术中存在的对环境的抗干扰能力不足的技术问题。

技术领域

本发明涉及无人机设计技术领域，尤其是涉及一种基于分数阶自抗扰的火星无人机设计方法和系统。

背景技术

在火星探测中，火星无人机已经被提出来扩展和补充火星车和着陆器在行星探索方面的能力。无人机可以以比轨道飞行器更高的分辨率勘测和发现地质特征，覆盖的区域也比漫游者更广。在未来可能的载人火星探测中，火星无人机还可以应用于表面探测、表面表征、确定潜在的漫游路径、识别可能的人类着陆点和提前发现危险，帮助宇航员进行自主侦察、地理测绘、大气成分和表征、土壤成分分析、表面热表征和磁场测量。

目前存在着一些固定翼火星无人机的设计，而多旋翼无人机因其能垂直起降的特点，在环境复杂的火星上也具有着巨大的研究潜力。

火星上的环境与地球类似，但是对无人机的飞行任务而言要更加恶劣。火星上重力小，能够减轻无人机负载。但是火星上大气寒冷且稀薄，气压、气温以及大气密度都远低于地球，导致同等构型下，火星无人机的升力严重不足。同时因为温度较低，火星上的声速也较小，无人机飞行时的马赫数较高。火星无人机工作在一个低雷诺数且高马赫数的环境。因此，在设计火星旋翼无人机时，要着重解决环境适应的问题。

在旋翼无人机升力不足时，常见的想法是增加旋翼数目或增大旋翼尺寸。而国内外采用的技术方案是增大旋翼的尺寸，但是由于火星大气稀薄，平均温度较低，导致声速较低，过大的尺寸会使得旋翼末端出现激波现象，不利于火星无人机的飞行。

目前旋翼式火星无人机的控制主要是通过调整翼端路径平面(Tip path plane，TPP)与无人机质心的相对位置，实现火星无人机的转向控制与姿态调整。Schafroth等人对比了多种无人机的转向控制方案，采用基于飞行器模型预测控制(MPC)的非线性控制方法调整无人机飞行的高度和姿态，验证了该控制方法的可行性并研制了muFly无人机。为了优化第一代muFly无人机的动力系统和转向系统，第二代muFly采用H∞控制与协方差矩阵自适应方法(CMA-ES)实现了无人机系统各组成元件的信息交互，并采用集成化方法对无人机的功能模块进行了质量优化。

旋翼式火星无人机的控制取得了较为显著的成果，但其对环境的抗干扰能力仍未得到有效解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分数阶自抗扰的火星无人机设计方法和系统，以缓解现有技术中存在的对环境的抗干扰能力不足的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于分数阶自抗扰的火星无人机设计方法，应用于目标火星无人机；所述目标火星无人机为共轴双桨四旋翼火星无人机；包括：基于分数阶PID控制器，设计分数阶自抗扰控制器；将所述分数阶自抗扰控制器确定为所述目标火星无人机的控制器。

进一步地，基于分数阶PID控制器，设计分数阶自抗扰控制器，包括：基于目标传递函数设计所述分数阶PID控制器；所述目标传递函数的控制参数为分数；基于预设跟踪微分器、所述分数阶PID控制器和预设扩张状态观测器，设计所述分数阶自抗扰控制器。

进一步地，所述目标传递函数为：其中，G_C()为所述目标传递函数，s表示拉普拉斯算子，K_p、K_i、K_d分别为所述分数阶PID控制器的比例项系数、积分项系数和微分项系数，λ为分数阶积分算子，μ为分数阶微分算子，0λ2，0μ2，且λ≠1，μ≠1。

进一步地，所述预设跟踪微分器为二阶跟踪微分器。