[发明专利]基于预设性能的固定翼无人机避障鲁棒抗扰飞行控制方法

说明书

本发明公开了一种基于预设性能的固定翼无人机避障抗扰飞行控制方法，包括如下步骤：生成初始航路并调整初始航路的参数，生成无人机的连续安全飞行航路；忽略横侧向运动与纵向运动的相互影响，建立存在外部干扰的无人机纵向模型并定义性能函数；基于无人机纵向模型，分别设计基于预设性能函数的高度控制器、速度与航迹倾斜角控制器；设计干扰观测器，基于干扰观测器设计姿态角控制器和姿态角速率控制器；选取控制系统的李雅普诺夫函数，根据李雅普诺夫稳定性理论选择控制参数，保证系统信号的有界。本发明能够确保固定翼无人机安全飞行，还能使得高度跟踪误差满足给定的性能，实现了外部干扰下的固定翼无人机鲁棒抗扰跟踪飞行控制。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术，尤其涉及一种基于预设性能的固定翼无人机避障抗扰飞行控制方法。

背景技术

在第一次世界大战时期美国就引入了军用无人机，促进了无人机在军事领域的应用，到目前为止，已发展出了全球鹰、翼龙、捕食者、利剑、X47-B以及火力侦察兵等多种先进的军用无人机，与此同时，无人机也广泛应用在航拍、农业等民用领域得到了广泛应用。飞行控制系统是无人机系统的主要构成部分，并且是执行各种飞行任务和安全飞行的基础，因此，研究具有安全避障功能、人工干预低和自主性强的飞行控制方法是无人机技术的重要研究方向。

在现有的固定翼无人机系统跟踪控制方法中，通常关注如何保证跟踪误差收敛于有界区域或渐近收敛于零，属于稳态性能研究，缺乏针对固定翼无人机系统的超调和收敛速度等瞬态性能的研究。但研究瞬态性能对于提高无人机的飞行控制系统性能起着重要的作用；例如，过大的超调可能导致无人机执行机构超过物理限制，从而导致闭环无人机系统的不稳定。因此，在设计安全避障鲁棒抗扰飞行控制器时，仅考虑稳态性能而不考虑瞬态性能会导致无人机难以实现期望的飞行性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于预设性能的固定翼无人机避障抗扰飞行控制方法，提高固定翼无人机的安全性能并保证高度跟踪误差的性能要求。

技术方案：本发明的基于预设性能的固定翼无人机避障抗扰飞行控制方法包括如下步骤：

(1)生成初始航路，调整初始航路的坡度、曲率和离地安全高度，以生成无人机的连续安全飞行航路；

(2)忽略横侧向运动与纵向运动的相互影响，建立存在外部干扰的无人机纵向模型并定义性能函数；

(3)基于无人机纵向模型，分别设计基于预设性能函数的高度控制器、速度与航迹倾斜角控制器；

(4)设计干扰观测器，基于干扰观测器设计姿态角控制器和姿态角速率控制器；

(5)选取控制系统的李雅普诺夫函数，根据李雅普诺夫稳定性理论选择控制参数，保证系统信号的有界。

步骤(1)包括如下具体步骤：

(1.1)依据梯度信息处理A*算法生成的航路点，剔除其中不规则的拐点，生成初始航路序列；

(1.2)采用坡度限制平滑算法限制航路坡度以保证其满足最大最小爬升角约束；

(1.3)采用曲率限制平滑算法限制参考航路的曲率以保证其满足无人机的过载约束；

(1.4)检查航路是否满足坡度要求，若不满足则返回步骤(1.2)重新限制航路坡度，若满足则进入下一步；

(1.5)检查航路高度是否满足最小离地安全高度，若满足则进行下一步，若不满足则将整体参考航路上移至满足最小离地安全高度；

(1.6)采用B样条曲线对航路离散点进行拟合，再将拟合后的航路上移一个安全距离，得到无人机的连续的安全飞行航路。

步骤(2)中，无人机的纵向模型如下所示：