一种基于角加速度传感器的多操纵面无人机闭环控制分配方法

摘要

本发明公开了一种基于角加速度传感器的多操纵面无人机闭环控制分配方法，可应用于具有冗余多操纵面无人机的飞行控制。通过无人机角速度指令和测量到的角速度信息得到期望角加速度指令，通过角加速度传感器获得无人机的角加速度，得到期望力矩增量与实际力矩增量的误差，实时地对该力矩增量误差进行控制分配解算，得到各个操纵面的偏转角度。本发明提供的方法利用了无人机角加速度传感器得到角加速度反馈信息，从而构成了闭环控制分配结构，在操纵面正常工作和发生故障时，均能达到较好的控制分配效果，并且计算简单、实现方便。

主权项

1.一种基于角加速度传感器的多操纵面无人机闭环控制分配方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：步骤一：通过无人机上的角速度传感器测得当前的无人机角速度，根据期望的角速度指令，得到无人机的期望角加速度；角速度传感器测得的角速度为[p,q,r]^T，其中，p表示滚转角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度，期望的角速度指令为[p_c,q_c,r_c]^T，其中，p_c表示滚转角速度指令，q_c表示俯仰角速度指令，r_c表示偏航角速度指令，则无人机的期望角加速度为：$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{p}}_d\\ {\stackrel{·}{q}}_d\\ {\stackrel{·}{r}}_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\omega }_p& 0& 0\\ 0& {\omega }_q& 0\\ 0& 0& {\omega }_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_c-p\\ q_c-q\\ r_c-r\end{array}\right]$式中，ω_p，ω_q和ω_r为滚转、俯仰和偏航通道的频带或增益，表示期望的滚转角加速度，表示期望的俯仰角加速度，表示期望的偏航角加速度；步骤二：通过无人机上的角加速度传感器测得当前的无人机角加速度其中，表示当前的滚转角加速度，表示当前的俯仰角加速度，表示当前的偏航角加速度，并与无人机的期望角加速度相减，再与转动惯量矩阵J_c相乘，得到无人机的力矩增量误差ΔM_e，即期望力矩增量与实际力矩增量之差：$\Delta M_e=J_c^{-1}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{p}}_d-\stackrel{·}{p}\\ {\stackrel{·}{q}}_d-\stackrel{·}{q}\\ {\stackrel{·}{r}}_d-\stackrel{·}{r}\end{array}\right]$式中，转动惯量矩阵J_c为$J_c=\left[\begin{array}{ccc}{J}_z/\Gamma & 0& J_{\mathrm{xz}}/\Gamma \\ 0& 1/J_y& 0\\ J_{\mathrm{xz}}/\Gamma & 0& J_x/\Gamma \end{array}\right]$式中，J_x表示绕机体轴x轴的转动惯量，J_y表示绕机体轴y轴的转动惯量，J_z表示绕机体轴z轴的转动惯量，J_xz为惯性积，步骤三：采用控制分配方法对力矩增量误差ΔM_e进行分配，得到不同执行机构k时刻的控制增量U_v(k)；步骤四：将当前时刻计算得到的执行机构控制增量U_v(k)与存储的前一时刻执行机构控制输入U_v(k-1)相加，得到当前时刻不同执行机构的控制输入U(k)；U(k)＝U(k-1)+U_v(k)式中，U(k)＝[u₁(k),…,u_m(k)]^T，m表示执行机构的数量，u_i(k)i＝1,…,m表示第i个执行机构k时刻的控制输入；步骤五：将不同执行机构的控制输入U(k）分别接入相应的执行机构，从而得到不同操纵面的偏转角度D(k)；设有m个执行机构，则这些执行机构的模型为：式中，K_i表示第i个执行机构的频带特性，i＝1,…,m，s表示Laplace算符，D(k)＝[δ₁(k),…,δ_m(k)]^T，m表示执行机构的数量，δ_i(k)i＝1,…,m表示第i个执行机构k时刻的输出，即第i个操纵面在k时刻的偏转角度；步骤六：在后续的飞行控制过程中，不断重复前述五个步骤，从而实时得到无人机不同操纵面的偏转角角度D(k)；将得到的不同执行机构控制输入U(k)，以及不同操纵面的偏转角角度D(k)，均通过测控链路下传显示，供操控人员监控参考。