共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法

摘要

本发明的目的是对共轴双旋翼无人直升机、放线装置、线缆这一组合体的相互关系及将线缆的张力控制和飞行器速度控制进行统一考虑。提出一套完整的线缆张力控制、飞行器鲁棒控制算法，在保证线缆张力恒定的情况下，实现无人直升机的姿态稳定。本发明提供的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法包括：共轴双旋翼无人直升机与柔性线缆的动力学模型分析综合考虑飞行控制系统的控制结构，采用两个单独的模型，其核心动力学模型将单独反应直升机的姿态和速度特性的动力学方程。控制结构决定了该模型是一个2输入、6输出的系统，本发明基于该模型的状态变量，采用三层次两环路结构的共轴双旋翼无人直升机飞行控制系统。

主权项

一种共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其包括三个步骤：即动态模型线性化；H∞控制律设计和控制器切换逻辑设计，(1)动态模型线性化：共轴双旋翼无人直升机与柔性线缆的动力学模型分析,综合考虑飞行控制系统系统的控制结构，采用两个单独的模型，其核心动力学模型将单独反应直升机的姿态和速度特性的动力学方程，控制结构决定了该模型是一个2输入、6输出的系统，它的状态空间方程表达式为：y＝Cx其中，A状态矩阵  B输入矩阵  C输出矩阵b‑‑‑横向旋翼挥舞角；a‑‑‑纵向旋翼挥舞角；p‑‑‑航向角速率；q‑‑‑俯仰角速率；φ‑‑‑滚转角；‑‑‑俯仰角；v_x‑‑‑前向速度v_y‑‑‑侧向速度；B_1s‑‑‑纵向周期变矩；A_1s‑‑‑横向周期变矩其特征在于：在保证控制系统设计和仿真准确性的基础上，引入了τ、k和α这三个修正量，其中τ和飞行器飞行速度正相关，k与速度变化率，特别是与速度在z轴上的变化率正相关，这些修正量的引入，使得系统线性化模型简化为：(2)基于上述线性化模型，通过H∞控制算法完成内环控制设计：要获得内环控制器的表达式，首先确定C_Δ和D_Δ为变量约束矩阵的元素，即权重系数，然后计算从干扰输入w到被控输出Hin最优的H∞性能指数对于任意的H∞的γ次优控制律为：其中r为参考输入，r＝[Φ r,θ r]由外环控制律产生。为状态反馈增益。P为H∞代数黎卡提方程的半正定镇定解。该黎卡提方程定义如下：G为参考前向矩阵，G＝‑[C_out(A+BF)^‑1B]^‑1；(3)控制器切换逻辑设计:当无人机在悬停和前飞两个不同工作点飞行时，需要进行控制器的切换。控制器的切换逻辑设计就是要保证切换过程的无阶跃平滑过渡，同时要保持系统对参考输入的跟踪性能；我们采用惯性延迟切换方法，该方法结构简单，同时可有效避免切换过程中的阶跃效应,切换逻辑中ua为控制Ka的输出，ub为控制Kb的输出，在切换时使用惯性延迟函数f(a_i)＝diag(a_i/s+a_i) 所以由ua切换到ub时，切换后的输出这是一个切换差值的指数衰减函数的组合值，因此可以保证切换过程的平滑顺畅。