[发明专利]“即插即用”的无人机自适应飞控系统及方法

说明书

本发明提供了“即插即用”的无人机自适应飞控系统及方法，利用积分滑模面来替代标准滑模面，设计了“即插即用”的自适应模块，定义了新的自适应律。本发明提供的飞控系统能够自适应补偿无人机系统的不确定性因素，在未获得无人机系统的先验信息，或者当无人机在运行过程中发生参数变化以及不确定干扰的情况下，无人机仍然能快速恢复稳定，不用重新调正已有飞控系统的参数。本发明兼容现存的标准飞控系统，具有“即插即用”的特点，可以直接应用在当前已被广泛应用的已有飞控系统上，其性能比已有的飞控系统性能提高至少17％，具有很高的经济价值和广泛的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种“即插即用”的无人机自适应飞控系统及方法，属于自动化控制技术领域。

背景技术

固定翼无人机飞控系统的飞速发展促使其在军事，商业和学术领域中得到广泛应用。无人机系统是一种4输入(机翼，尾舵，升降舵和油门)6自由度(位置和方向)的欠激励非线性动力学系统，这种欠激励叠加了耦合的横向和纵向动力学，使得固定翼无人机的控制系统十分复杂。为了简化非线性系统模型的分析过程，人们常常将无人机模型进行线性化处理，简化后的模型系统也简化了其控制系统，无人机控制系统被称为飞控系统。

由于PID控制器的简单和低计算复杂度，飞控系统通常都是使用PID控制器。大部分PID架构的飞控系统都是采用级联闭合环的结构，它包括用PID增益连续闭合的内环(速度环)和外环(位置环)，这种架构已经被学术界和工业界广泛采用，并且成为许多开源飞控系统的主流标准，例如全球知名的开源飞控代码库ArduPilot。然而，这种级联的PID控制器架构需要知道无人机系统参数的先验信息，例如当改变了无人机系统参数的时候，PID控制器需要被重新调正增益参数，也就是说，对于无人机系统的不确定性，PID控制器的调参是无法避免的。不确定性包括无人机系统部分参数的不可知性，参数在系统运行过程的滑变以及外部干扰等因素。

由于PID控制器对无人机系统的不确定因素缺乏补偿性、自适应性，人们提出了利用鲁棒控制器来取代PID控制器的飞控系统。滑膜控制是当前鲁棒控制理论中广为运用的控制方法之一，但是滑膜控制需要提前知道不确定性因素的上界信息，它仍然缺乏针对无人机不确定性因素的自适应性。此外，以鲁棒控制为主导的飞控系统采用的是与当前主流标准的PID控制器飞控系统不一样的架构，这就使得这种飞控系统无法兼容主流标准的飞控系统。

因此，当前主流标准的无人机飞控系统仍然缺乏一种自适应的，且兼容标准PID级联闭合环架构的无人机飞控系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种“即插即用”的无人机自适应飞控系统。这种飞控系统相较于当前的标准飞控，能够自适应补偿无人机系统的不确定性因素，在未获得无人机系统的先验信息，或者当无人机在运行过程中发生参数变化以及不确定干扰的情况下，无人机仍然能快速恢复稳定。此外，考虑到当前已被广泛应用于学术界，工业界和商业界的标准飞控系统这一现实情况，本发明中的飞控系统能够兼容现存的标准飞控，具有“即插即用”的特点，也就是不改变现有的飞控结构和参数值，仅在其中增加新的模块即可达到自适应飞控的目的，具有广泛的实用性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

“即插即用”的无人机自适应飞控系统，包括“即插即用”的自适应积分滑膜控制器如下：

u＝αs+β(t)sign(s)

β(t)＝θ₀(t)+θ₁(t)|ω|+θ₂(t)|ω|²