[发明专利]一种柔性无人机抗侧风飞行控制方法

权利要求书

1.一种柔性无人机抗侧风飞行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.建立柔性飞行器的飞行动力学方程：

利用小扰动假设在平衡点附近线化，得到柔性飞行器的飞行动力学方程线化模型如下：

其中，x为状态量，u为输入，y为观测输出；B为输入矩阵；C为输出矩阵；系统矩阵A为

其中，A_r为刚体无人机飞行动力学模型中的系统矩阵，A_e为柔性无人机飞行动力学模型中的系统矩阵；

S2.采用二阶系统来模拟舵机的反应，建立舵机模型:选取Von Karman紊流模型，建立侧风模型；将状态空间形式的包含弹性模态的飞行动力学模型、舵机模型耦合，得到柔性无人机飞行动力学模型；

S3.设计满足飞行品质要求、具有扰动抑制能力的静态输出反馈参数；

S4.利用静态输出反馈参数，构造包含弹性模态的柔性无人机飞行动力学高阶系统的开环回路，设计外环回路成形控制器；

所述步骤S2中，采用二阶系统来模拟舵机反应的过程中，二阶系统传递函数如下：

其中，K_d，ε_d，ω_nd为舵机传递系数参数，G_d(s)是舵机传递函数，s为舵机响应时间的拉普拉斯变换；

所述步骤S2中，选取Von Karman紊流模型，建立的侧风模型如下：

其中，L_w是侧风尺度，ω是时间频率，Φ_ww(ω)是时间侧风频谱，α是侧风强度，σ_w＝1.339，V是侧风速度；

所述步骤S2中，将状态空间形式的飞行动力学模型、舵机模型耦合，得到柔性无人机飞行动力学模型的过程如下：

将状态空间形式的柔性无人机飞行动力学模型、侧风模型、舵机模型耦合，得到侧风条件下柔性无人机状态空间方程，如下所示：

其中，x为状态量，u为输入，u＝[δ_e δ_a]^T，d为侧风扰动，y为观测输出，B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为侧风相关的扰动矩阵；系统矩阵A体现了与各子模型的关系：

其中，A_f为柔性无人机飞行动力学模型中的系统矩阵，A_a为侧风模型中的系统矩阵，A_af为侧风模型对柔性无人机飞行动力学模型的影响，A_s为舵机模型的系统矩阵，A_sf为舵机模型对柔性无人机飞行动力学模型的影响；

所述步骤S3包括：

给出控制量u的表现形式：

u＝-Ky＝-KCx

K为是系统稳定的静态参数，并使得L₂增益满足给定的边界γ；

K的求解步骤如下：

1)选择加权矩阵Q，R，以及增益指标γ，设计L₀＝0；

2)侧风扰动形式对于给定的γ，若存在静态输出反馈K使得系统稳定，则有矩阵R、P、L，满足：

KC＝R^-1(BP+L)；

每一步迭代求解过程中，通过求解Riccati方程得到P_n；

通过上述矩阵求逆，可得更新后的L_n+1和K_n+1

K_n+1＝R^-1(B^TP_n+L_n)C^T(CCT)^-1

L_n+1＝RK_n+1C-B^TP_n

当||L_n+1-L_n||≤e，e为设定的误差，则收敛，即K＝K_n+1。

2.根据权利要求1所述的一种柔性无人机抗侧风飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

在初始反馈增益K的基础上，选择前置补偿环节W₁和后置补偿环节W₂；初始W₁和W₂预先指定，设置ε_max大于0.3，稳定裕度ε满足小于ε_max；通过下式计算，当满足稳定裕度要求时，即得到满足要求的K_∞

其中，I为单位矩阵，G为舵机传递函数，M^-1由G左互质分解得到；

由于u＝-K∞y＝-K∞Cx，由K_∞即能够得到输入u，u包含舵偏量和油门；

输出油门和舵偏量实现无人机控制；也就是说，输出量由无人机状态量x、输出矩阵C和输出反馈增益K_∞决定；设计K_∞后，结合无人机状态量x、输出矩阵C，从而得到输出量。