[发明专利]一种尾座式垂直起降无人机姿态控制方法

说明书

本发明提出一种尾座式垂直起降无人机姿态控制方法，属于尾座式垂直起降无人机姿态控制技术领域。包括以下步骤：(1)构建尾座式垂直起降无人机的数学模型。(2)设计前馈补偿器来缩小不确定的界限。(3)基于线性化后的模型，设计标称控制器，为没有不确定性的标称系统提供基本控制性能。(4)设计L1自适应控制器，以补偿不匹配的不确定性。前馈控制器、标称控制器以及L1自适应控制器共同组成总的控制器。本发明提供的尾座式垂直起降无人机姿态控制方法相比近些年来提出的控制器，不仅能够实现尾座式垂直起降无人机良好的姿态控制效果，还能考虑输入约束对姿态控制效果的影响。

技术领域

本发明涉及尾座式垂直起降无人机姿态控制技术领域，具体为一种基于L1自适应控制律的尾座式垂直起降无人机姿态控制方法。

背景技术

垂直起降无人机结合了固定翼和旋翼飞机的优点，可以在受限区域内快速起飞和降落并具有悬停和巡航的能力。目前，垂直起降无人机主要分为复合式、倾转式和尾座式三大类。相比复合式和倾转式，尾座式垂直起降无人机不需要安装复杂的转换机构便可实现飞行模式的转换，因此尾座式垂直起降无人机具有更轻的重量。然而，尾座式垂直起降无人机高度耦合的空气动力学特性给姿态控制器的设计带来了巨大的挑战。此外，尾座式垂直起降无人机在悬停阶段较低的控制面效率进一步加大了实现精确姿态控制的难度。

近些年来，许多优秀的控制器被提出以实现尾座式垂直起降无人机良好的姿态控制效果，然而，大多数控制器没有考虑到输入约束。由于尾座式垂直起降无人机在悬停阶段的控制面控制效率是有限的，输入约束引起的饱和会限制控制的效果，甚至导致不稳定。因此，在设计控制系统时，考虑输入约束是很重要的。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于L1自适应控制律的尾座式垂直起降无人机姿态控制方法，该方法能够在考虑尾座式垂直起降无人机的控制面输入约束的前提下，实现准确的姿态跟踪控制。

本发明的技术方案为：

所述一种尾座式垂直起降无人机姿态控制方法，包括以下步骤：

步骤1：构建尾座式垂直起降无人机的数学模型：

步骤1.1：构建尾座式垂直起降无人机的动态运动方程为：

式中，ω＝[p,q,r]为无人机的欧拉角速度，由无人机的惯性测量单元测得；J为无人机的惯性矩阵，为无人机本身的特有属性；B为J的逆矩阵，通过数学的求逆运算获得；M为作用在无人机上的合力矩，M＝M_aero+M_un+u(t)，M_aero为空气动力力矩；M_un为空气动力参数的未知的不确定性和扰动力矩；u(t)为螺旋桨和控制面产生的实际控制力矩；

步骤1.2：对步骤1.1中的动态运动方程进行改写，引入不确定性因素项f₀(t,ω)，改写形式为：

式中，B_m为对惯性矩阵J的逆矩阵的最佳估计，并且B＝B_m+ΔB，ΔB为估计误差；f₀(t,ω)的表达形式为：

f₀(t,ω)＝-B(ω×Jω)+ΔB(M_aero+M_un+u)+B_m(M_aero+M_un)

步骤2：设计总的控制器为：

u_c(t)＝u_ff(t)+u_b(t)+u_a(c)(t)