[发明专利]共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法

权利要求书

1.一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。

2.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其特征在于：柔性线缆速度-张力关系影响无人直升机的受力，进而影响直升机的姿态动力学特征，因此，将柔性线缆速度与张力的关系视为内环控制技术回路的扰动，所以该线性化模型采用其中矩阵E为干扰矩阵，线性化时E的值在不同工作点下，通过在纵向、横向通道中引入柔性线缆的扰动来获得，而该扰动通过线缆张力、线缆运动检测传感器所敏感的角度、角速率信号经过估计算法获得。

3.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其特征在于：测量输出为y＝Cx＝[p q φ θ v_x v_y]^T。

4.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其特征在于：内环的基本要求是在柔性线缆干扰的情况下保证姿态的操稳特性，因此被控输出变量选择为：H_out＝[φ θ]＝C_outx，H_in＝C_Δx+D_Δu，其中C_Δ和D_Δ为变量约束矩阵，其元素为权重系数。

5.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其特征在于：共轴双旋翼无人机的前向飞行速度为5m/s 。

6.如权利要求3所述的共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其特征在于：线缆张力的峰值被控制在0.5N之内，姿态角的控制精度为2°，航向角控制精度为3°。