[发明专利]一种基于预设性能的变外形飞行器多维复合控制方法

说明书

本发明公开了一种基于预设性能的变外形飞行器多维复合控制方法，包括如下步骤：步骤(1)，定义飞行器常用坐标系及运动变量；步骤(2)，基于牛顿欧拉法的变外形飞行器多刚体六自由度模型建立；步骤(3)，根据飞行器飞行环境及飞行任务，设计飞行器姿态响应过程的性能约束，并完成约束化简；步骤(4)，在以上三步的基础上将反步滑模控制和扩张状态观测器相结合，完成飞行器控制律设计。本发明提出的方法可以建立起控制效果与控制律直接联系，简化控制器设计过程，从而完成飞行器姿态对指令信号的稳定快速跟踪，实现飞行姿态控制。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种基于预设性能的变外形飞行器多维复合控制方法。

背景技术

随着飞行场景和飞行态势越来越多样复杂，对飞行器的性能要求也愈加严苛，具有变形机构的飞行器应用而生。变外形飞行器是一种能根据飞行环境和任务的变化，相应地改变外形的飞行器。将变外形技术应用到飞行器上，大大增强飞行器的环境适应性和任务适应性，具有重要的应用价值，是未来飞行器发展的重要方向。

飞行器实现稳定飞行，准确完成任务均依赖于控制器性能，然而变外形飞行器由于变形机构的存在，导致其控制器设计过程中面临的问题更加复杂。此外，目前针对飞行器的控制方案中，缺乏各控制参数与控制效果的直接联系，为达到理想的控制性能需要对控制参数持续调试，极大增加了控制器设计难度。

(1)飞行器模型结构复杂

飞行器是一个时变、耦合、非线性的复杂模型，而变外形飞行器在此基础上引入了变形机构，无法像常规飞行器那样将变外形飞行器作为单个刚体进行动力学建模。于此同时，变外形过程不仅引起飞行器质心位置的变化，还会产生的附加力和附加力矩，不确定性和耦合性进一步加剧。

(2)任务工况环境繁杂多样

飞行器不同气动构型下的气动特性差异显著，变形过渡过程会产生非定常效应等复杂的气动特性，变形过程的不确定性进一步增强，加大控制器设计难度。

(3)控制器与控制效果缺乏理论联系

变外形飞行器是一个存在未知非线性的系统，对其设计控制器需要考虑的一个重要问题就是系统的瞬态和稳态性能。在传统控制器设计过程中，变外形飞行器姿态响应的各个关键性能指标与控制器设计缺少直接映射关系，无法在控制器设计过程中合理选取各个参数使得响应过程满足综合性能评价体系。因此，亟需一种控制方法，建立起性能评价体系与控制器设计的直接联系，明确控制器设计过程中各参数与控制效果的对应关系，最终实现变外形飞行器多维姿态复合控制。

综上所述，变外形飞行器在满足更加复杂多样的飞行任务的同时，其强耦合、快时变以及强非线性等特性也对控制器设计提出巨大挑战。传统控制器不仅无法满足变形飞行器复杂多样的任务需求，也无法保证姿态响应过程符合预期的综合性能评价体系。因此，如何设计一个控制器在保证飞行器准确快速稳定的跟踪指令信号的基础上，同时保证响应曲线保持在性能包络之内，从而满足综合性能评价体系，成为目前飞行器姿态控制亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明目的是提供了一种基于预设性能的变外形飞行器多维复合控制方法，以解决上述问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于预设性能的变外形飞行器多维复合控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)，定义飞行器常用坐标系及运动变量；

步骤(2)，基于牛顿欧拉法的变外形飞行器多刚体六自由度模型建立；

步骤(3)，根据飞行器飞行环境及飞行任务，设计飞行器姿态响应过程的性能约束，并完成约束化简；

步骤(4)，在以上三步的基础上将反步滑模控制和扩张状态观测器相结合，完成飞行器多维复合姿态控制设计。