[发明专利]一种欠驱动无人机的分数阶控制方法

说明书

本发明公开了一种欠驱动无人机的分数阶控制方法，包括欠驱动无人机级系统级联结构分解、两个子系统的简单分数阶控制律的设计、利用粒子群算法优化参数。将系统进行级联分解，根据无人机内部结构特点分解为x子系统和y与θ级联子系统，解决了控制量之间耦合问题。对第一个x子系统设计简单的分数阶控制律，解决子系统的控制问题，当|w|≤c时，对于第二个y与θ级联子系统，构造出第二个简单分数阶控制律。利用时域适应度函数来评价简单的分数阶控制律，两条简单的分数阶控制律所存在的参数，使用粒子群算法进行优化。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体是将欠驱动无人机系统级联分解成简单的两个子系统情况下，分两步设计子系统的简单分数阶控制律，属于单无人机飞行控制领域。

背景技术

欠驱动无人机因为其特殊的结构，因此它同时具备垂直起飞和降落的能力，特别在方向的移动中，不同于固定翼无人机等机型，欠驱动无人机可以进行悬停操作和全方向的移动。正因为其自身的结构特点，欠驱动无人机被广泛的应用在飞行航拍和环境监测等领域中。无人机的运用不仅提高了人类执行任务的效率，也同时确保了人员的安全。

欠驱动无人机的运动控制中既包括了基本的四个方向的运动，又包括了由于自身结构特性和动态性能所独有的垂直起飞和降落的能力，以及空中悬停和改变航向角的能力。在欠驱动无人机的基本运动中，垂直起降的能力是通过同时改变两个尾端旋翼的旋转速度，从而实现无人机垂直起飞和降落。对于本专利，欠驱动无人机只有两个控制输入，三个控制输出，控制系统具有三个自由度，因此欠驱动无人机控制系统是一个欠驱动系统。随着欠驱动无人机飞行控制技术的飞速发展，其结构简单优势已经远远超过固定翼无人机控制技术所带来的便利。基于这种有利的因素，欠驱动无人机的应用领域也得到大大的拓展。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，提出一种欠驱动无人机的分数阶控制方法，将复杂的耦合系统转化分解成两个简单子系统，对于两个子系统单独设计分数阶控制律，使得无人机能够收敛到参考信号。

技术方案：一种欠驱动无人机的分数阶控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据描述欠驱动无人机的运动学模型，将系统分解成互相级联的x子系统和y与θ级联子系统；

步骤2：对于x子系统，设计基于分数阶理论的简单控制律w，用来稳定控制这个子系统，当满足|w|≤c时，将y与θ级联子系统简化成一个二阶积分器系统，在此基础设计基于分数阶理论的简单控制律v；

步骤3：对于步骤2中所得到两条简单分数阶控制律，利用时域适应度函数来评价，对于两个控制律里面的参数，使用粒子群算法进行优化。

进一步的，所述欠驱动无人机的运动学模型为：

其中，控制输入u和v分别是推力和加速度，无人机与垂直方向之间存在固定的高度z≠0，x是x方向位置，y是y方向位置，θ是横滚角，是x的一阶导数，是y的一阶导数，是z的一阶导数，是θ的一阶导数；

对于公式(1)描述的欠驱动无人机系统，经过如下转化：

其中，w是新的控制输入；

将公式(2)带入到(1)中，系统转化成：

从而欠驱动无人机系统转化为如下x子系统：

与y与θ级联子系统为：

其中，c为大于0的常数。

进一步的，所述步骤2中，对于x子系统，新的控制输入w是控制x方向的力，然后给出x子系统的基于分数阶理论的简单控制律：