[发明专利]基于自适应控制的无人机自动驾驶仪控制系统

说明书

本发明公开了基于自适应控制的无人机自动驾驶仪控制系统，涉及航空宇航推进控制技术领域，能够针对含有参数不确定的无人机模型，为无人机设计能够快速、精确跟踪期望速度、高度、航向等指令的自动驾驶仪控制系统。本发明将无人机的非线性模型基于小扰动原理线性化，根据所需控制量的相对阶次，建立自适应控制系统的参考模型。设计自适应控制律在线更新控制器参数，使无人机能够较为精准地跟踪给定指令。本发明保证了整个闭环系统良好的跟踪性和稳定性，并且使系统具有一定的鲁棒性能。

技术领域

本发明涉及航空航宇推进控制技术领域，尤其涉及基于自适应控制的无人机自动驾驶仪控制系统。

背景技术

无人机(UAV)是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用航空器的简称。由于其低廉的成本、重量轻、体积小、适应性强和灵活机动的特点，在军事和国民经济的各个领域得到了越来越广泛的应用，受到了全世界各个国家的高度重视。无人机飞控系统的性能对无人机的飞行控制具有极大的影响，其中自动驾驶仪作为无人机的“大脑”，是无人机飞行控制系统的核心部件。为了更好的实现稳定飞行和轨迹跟踪，要求自动驾驶仪具有高精度、高效率的性能，这极大地推动了先进控制方法的发展。

控制器是自动驾驶仪控制系统的核心，也是整个无人机的中央控制单元。控制器根据控制指令和无人机实时采集到的飞行姿态数据，按照预先设计的控制算法进行决策，控制各个执行机构使无人机以一定的姿态和航迹安全飞行。同时，控制器还负责无人机上各个模块的协调工作。其基本功能有：(1)保持飞机按给定的高度、航线稳定飞行；(2)控制飞机按给定的航向角飞行；(3)控制飞机按给定的姿态角机动飞行；(4)控制飞机按预定程序自主飞行；(5)随着高度和速度的变化等自动调整，保持最优状态。因此，采用先进的控制方法设计无人机的自动驾驶仪控制系统对提高无人机的自主飞行能力有极大的作用。

然而，无人机的模型参数不确定性对自动驾驶仪控制系统的设计带来了很多技术上的难点。首先，自动驾驶仪控制系统在各种外界干扰和内部参数变化要求下必须具有较强的稳定性和鲁棒性。其次，在产生突发情况下，自动驾驶仪控制系统反应时间不能过长，要保证实时性。无人机在飞行时由于受到飞行环境的影响，其模型参数可能会产生不确定性，导致不能得到其精确的模型。因此，如果根据已知的模型参数设计固定的控制增益，会使得无人机的自动驾驶仪控制系统难以工作在最优状态。

PID控制由于其结构简单、鲁棒性强以及容易实现等特点，被广泛的运用于工业过程控制之中。在计算机进入到控制领域后，PID控制算法集成到许多硬件产品中，得到了进一步的推广。但是无人机自动驾驶仪飞行控制系统比较复杂，含有不确定因素，而所需满足的性能指标却很高，因此常规PID控制方法，已经无法满足无人机自动驾驶仪控制系统的要求。

综上，现有技术中缺乏针对参数不确定无人机模型的控制方法，不能满足无人机自动驾驶的快速、准确的要求，并且难以使得整个闭环系统具有稳定性和鲁棒性。

发明内容

本发明提供基于自适应控制的无人机自动驾驶仪控制系统，针对无人机参数不确定的情况，利用状态反馈输出跟踪的模型参考自适应方法，实现无人机在飞行过程中能够快速、准确地跟踪指令的飞行控制效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于自适应控制的无人机自动驾驶仪控制系统，控制系统利用状态反馈输出跟踪的模型参考自适应方法设计而成，包括参考模型、标称控制器和自适应控制律，输入值包括无人机的飞行参数和飞行指令，输出值为无人机的控制输入量u(t),其中,所述飞行参数包括飞行速度V、飞行高度H、偏航角ψ；所述飞行指令包括飞行速度指令V_c、飞行高度指令H_c和偏航角指令ψ_c。

进一步的，所述参考模型的输出为