無人直升機姿態非線性控制方法及驗證平臺的制作方法
【專利摘要】本發明屬于微小型旋翼式無人飛行器自主飛行控制研究領域，為使無人直升機實現快速、準確的鎮定控制，并且該控制器對模型先驗知識依賴較低，對系統的不確定性具有良好的魯棒性。為此，本發明采用的技術方案是，無人直升機姿態非線性控制方法，包括如下步驟：一、首先，采用掃頻的方法進行實驗建模，給出如下的動力學模型：二、無人直升機系統辨識：三、無人直升機姿態控制。本發明主要應用于微小型旋翼式無人飛行器自主飛行控制。
【專利說明】無人直升機姿態非線性控制方法及驗證平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬于微小型旋翼式無人飛行器自主飛行控制研究領域，主要針對一種單旋翼無人飛行器的控制算法設計，包括無人直升機姿態動力學模型的獲得，非線性魯棒姿態控制律的設計，姿態飛行控制實驗，具體講，涉及無人直升機姿態非線性控制方法及驗證平臺。
【背景技術】
[0002]小型無人直升機是指不需要人駕駛或者操作的，能夠自主飛行完成指定任務的特殊飛機。由于其具有垂直起降、安全性高、機動性好、空中懸停等優點，使得其在民用和軍用上都有廣泛的應用前景，例如低空海域的勘測、復雜地形的偵查、遠距離航拍、農藥的噴灑等。但由于無人直升機復雜的動力學特性，以及系統本身具有多變量、非線性、強耦合的特點，使得無人直升機的動態特性分析與控制設計較為困難。
[0003]目前國內已經有很多高校和科研機構都在進行無人直升機方面的研究。如針對小型無人直升機的非線性模型，應用反步法實現了無人直升機垂向和航向指令的相應跟蹤。但值得指出的是，論文中僅僅進行了相應的數值仿真驗證，并沒有進行相應的實驗驗證(期干IJ:控制理論與應用；著者:于明清，徐錦法，劉建業；出版年月:2012年；文章題目:小型無人直升機控制率設計與仿真；頁碼:792-796)。又如考慮到直升機飛行過程可能遭受到的多種不確定因素的干擾，采用了一種滑模降階的方法。并針對CE150型直升機模型給出了相應的數值仿真結果。然而文中為了消除滑模控制中可能產生的抖震現象，用飽和函數代替其符號函數，并且未進行相應的實驗驗證。(期刊:控制理論與應用；著者:蔣沅，曾令武，代冀陽；出版年月:2013年3月；文章題目:一類非線性直升機模型的滑模降階控制器設計；頁碼:第30卷第3期330-338)
[0004]另一方面，國外研究人員在小型無人直升機的控制方面也取得了一定的成果。如敘利亞阿勒頗大學的直升機研究組利用基于近似反饋線性化的方法進行控制器設計，有效的抑制了外部擾動。但是反饋線性化的使用忽略了直升機特有的飛行動態，只能在特定的飛行狀態下才能得到較好的控制效果(期刊:Control Systems Technology IEEETransactions on;著者:L6onard F, Martini A, Abba G ;出版年月:2012 年；文章題目:Robust nonlinear controls of model—scale helicopter under latral and verticalwind gusts;頁碼:154-163)。美國南加利福尼亞大學的無人直升機科研組,通過使用旋轉矩陣，結合反步法設計了無人直升機的姿態控制器，其數值仿真顯示在姿態控制方面達到了較好的控制效果(期刊:Control Systems Technology IEEE Transactions on;著者:Raptis I A, Valavanis K P, Moreno W A ;出版年月:2011 年；文章題目:A novelnonlinearbackstepping controller design for helicopters using the rotationmatrix ;頁碼:465_473)。但由于反步法的使用引入了系統狀態的多次微分，增大了系統的運算量，因此該論文只提供了其數值仿真結果。
[0005]從控制方法來講，上述科研機構及高校都針對無人直升機提出了較好的解決方案。但是大多停留在仿真實驗中，并且對系統模型的依賴程度較高，對于實際飛行是否可用仍然未知。涉及到滑模控制器設計時，大多為了消除滑模控制中可能產生的抖震現象，用飽和函數代替符號函數。

【發明內容】

[0006]本發明旨在解決現有技術的不足，為使無人直升機實現快速、準確的鎮定控制，并且該控制器對模型先驗知識依賴較低，對系統的不確定性具有良好的魯棒性。為此，本發明采用的技術方案是，無人直升機姿態非線性控制方法，包括如下步驟:
[0007]一、首先，采用掃頻的方法進行實驗建模，給出如下的動力學模型:
[0008]
【權利要求】
1.一種無人直升機姿態非線性控制方法，其特征是，包括下列步驟: 一、首先，采用掃頻的方法進行實驗建模，給出如下的動力學模型:
2.如權利要求1所述的無人直升機姿態非線性控制方法，其特征是，基于(20)中濾波誤差的開環動態方程，設計控制器為: u = B-1 (uo+ n),(21) 其中ujt)為基于滑模的非線性魯棒控制，辦f)是基于神經網絡的前饋部分，用于補償系統的不確定性，這里U。(t)設計為:
3.一種無人直升機姿態非線性控制驗證平臺，其特征是，包括:小型電動遙控直升機；航姿參考系統；上位機主控制器；底層控制器；其中，主控制器選用PC/104，分為三個模塊:數據采集模塊，該模塊負責慣性導航單元的數據采集與處理；飛行控制模塊，該模塊負責控制器算法的運行；數據通訊模塊，該模塊負責主控制器與底層控制器之間的數據傳輸；其中，選用DSP作為底層控制器，該底層控制器配有主控模塊、數據采集模塊、通訊模塊及手自動切換模塊，其中，主控模塊負責控制算法的運算，數據采集模塊負責傳感器MTI的數據采集，通訊模塊負責DSP與上位機信息交互，手自動切換模塊負責接收機PPM信號捕捉和舵機PWM信號輸出。
【文檔編號】G05B23/02GK103885450SQ201410074443
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】鮮斌, 古訓, 張垚, 劉祥 申請人:天津大學