[发明专利]一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法，结合经典控制理论以及现代控制理论的相关知识，设计固定翼无人机姿态控制器。控制回路包括PID控制器、低通滤波器、抗积分饱和器以及H∞控制器。PID控制器用在前向通道，提高系统的低频增益、减小稳态误差。低通滤波器用于反馈通道，主要用于抑制无人机传感器数据中的高频噪声。抗积分饱和器用来防止舵机输出饱和，影响飞行性能。H∞控制器用于提高无人机的姿态控制鲁棒性。实现固定翼无人机在复杂环境中以及无人机参数改变时保持鲁棒性，同时减小命令跟踪的误差，提高控制精度。

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，特别涉及一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法。

背景技术

近十几年来，无人机相关技术发展迅猛，无人机从原来军用领域，逐渐进入大众视野，在民用领域大放异彩。随着大量研究人员的加入，无人机构型越来越多，固定翼无人机、多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机、复合翼无人机等等，用途也越来越广泛，农林植保、电力巡检、气象观测、城市环境监测、快递货运、航拍摄影等等。

固定翼无人机，顾名思义，机翼的位置不变，现代的民航飞机和战斗机大多都是固定翼飞机。固定翼无人机由发动机或电机产生前进推力，由伯努利原理，机翼产生向上的升力，来抵消无人机的重量。固定翼无人机作为无人机构型中的一种，与常见的无人机直升机和多旋翼无人机相比，固定翼具有巡航时间长，飞行速度快，飞行距离远，载重量大等优点。

经典控制理论研究集中在20世纪20年代至60年代，研究对象主要是单输入单输出系统(SISO)，主要研究方法是系统传递函数和频率响应。到20世纪50年代前后，经典控制理论基本成熟，像PID控制器，对人们的生产生活产生了巨大的影响。但是经典控制理论的数学工具是线性时不变模型，不能体现非线性关系，也不能表现时变参数特性和对象模型的不确定性。控制器设计方法是基于频率法和根轨迹法并主要利用作图法，无法通过全面考虑，设计出性能更优的控制系统。经典控制理论的性能指标，如时域指标中的超调量、过度时间等，频率性能指标中的截止频率、稳定裕度等，基于这些性能指标设计的控制器不是最优的。

20世纪50年代末期，社会发展的需求不断提高以及数学和计算机科学的不断发展，促进了现代控制理论的研究。系统的状态空间法、卡尔曼滤波、最优控制、系统辨识、自适应控制等理论相继提出。20世纪80年代后期鲁棒控制理论的研究引起大批研究者重视，H2和H∞控制等理论被提出。鲁棒控制理论基于系统的状态空间模型，从根本上解决了由于外界扰动导致的系统模型不确定性问题。

随着小型固定翼无人机在森林防火、电力巡检、石油管道巡检等的应用越来越多，对于任务的精度的要求也越来越高，提高小型固定翼无人机在复杂环境中(例多风和恶劣天气中)以及自身重量改变(例携带任务载荷)情况下的稳定性和鲁棒性变得极为重要。目前固定翼姿态控制常用的比例积分微分(PID)算法，不依赖模型、原理简单且适用面广，但对于存在时滞和不确定性的模型控制性能不佳、易产生超调和振荡、具有鲁棒性差等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法，可以提高小型固定翼无人机在复杂环境中的鲁棒性，同时减小命令跟踪的误差，提高控制精度。

H∞回路成形理论结合了传统H∞控制方法和经典回路成形设计方法的优点。由于闭环系统的性能与开环奇异值曲线的形状有很大关系，因此可以通过选取预补偿器和过补偿器，来改善开环回路奇异值曲线的形状，使得补偿后的开环传递函数满足期望的奇异值形状，也就满足了闭环系统的性能，然后采用经典的H∞鲁棒控制理论设计控制器，从而满足系统对鲁棒性和稳定性的需求。

本发明的技术方案为：

所述一种基于H∞回路成形算法的小型固定翼无人机姿态控制方法，其特征在于：包括以下步骤：