小型无人直升机的姿态非线性自适应控制方法转让专利
申请号 : CN201510357429.0
文献号 : CN104932514B
文献日 : 2017-09-19
发明人 : 鲜斌 , 姜鑫燃
申请人 : 天津大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种小型无人直升机的姿态非线性自适应控制方法,其特征是,在小型无人直升机具有参数不确定性的情况下,将浸入-不变集方法用于小型无直升人机的姿态系统控制中,包括以下步骤:
1)确定小型无人直升机的坐标系定义;
小型无人直升机坐标系定义主要涉及三个坐标系,惯性坐标系{I}={OI,xI,yI,zI}、当前机体坐标{B}={OB,xB,yB,zB}和目标机体坐标系 其中Oi(i=I,B,Bd)表示坐标系原点,xi,yi,zi(i=I,B,Bd)分别对应坐标系三个主轴方向的单位矢量,各坐标系的定义均遵循右手定则;从当前机体坐标系{B}到惯性坐标系{I}之间的旋转矩阵为R,从目标坐标系{Bd}到惯性坐标系{I}之间的旋转矩阵为Rd,目标机体坐标系{Bd}到当前机体坐标系{B}的旋转矩阵为 同时定义直升机当前姿态角在坐标系{I}下表示为η=[φ,θ,ψ]T,φ、θ、ψ分别对应当前旋转角、当前俯仰角和当前偏航角;当前角速度在机体坐标系{B}下表示为ω=[ω1,ω2,ω3]T,ω1、ω2、ω3分别对应当前旋转角速度、当前俯仰角速度和当T前偏航角速度;目标轨迹姿态角在坐标系{I}下表示为ηd=[φd,θd,ψd] ,φd、θd、ψd分别对应目标旋转角、目标俯仰角和目标偏航角;目标角速度在目标坐标系{Bd}下表示为ωd=[ωd1,ωd2,ωd3]T,ωd1、ωd2、ωd3分别对应目标旋转角速度、目标俯仰角速度和目标偏航角速度;
2)确定小型无人直升机姿态动力学模型;
通过分析小型无人直升机作用原理,考虑空气阻力对无人直升机的影响,用牛顿-欧拉方程来描述其姿态动力学模型为:其中 分别对应η,ω的一阶时间导数,K=diag{K1,K2,K3}为空气阻尼系数矩阵,J=diag{J1,J2,J3}为已知的转动惯量矩阵,三个通道的空气阻尼系数K1、K2、K3和三个通道的转动惯量J1、J2、J3均为常数,τB为机体坐标系下的输入转矩,旋转矩阵R表示为:当挥舞角a、b很小时,无人直升机的挥舞动力学模型可简化为:τB=ACδ+B, (3)
其中δ=[δlon,δlat,δped]T为舵机输入向量,δlon、δlat、δped分别对应三个通道的舵机输入量,A、B、C为已知的常量型矩阵;
在空气阻尼系数矩阵K未知的情况下,设计舵机输入δ,使得无人直升机姿态角η跟踪目标轨迹ηd,并且确保所有闭环信号都是有界的,这里已知目标轨迹ηd是有界的,目标轨迹的一阶时间导数 也是有界的;
3)定义姿态角跟踪误差并整理动力学误差模型;
由式(1)可知,目标轨迹对应的角度与角速度之间的关系为 其中目标坐标系{Bd}到机体坐标系{B}间的转换矩阵 R-1为矩阵R的逆矩阵,定义跟踪误差为:
将式(4)等式两端同时求一阶时间导数,并将式(1)代入整理,最终得到完整的动力学误差模型为:
其中 分别对应e1,e2的一阶时间导数,平滑函数 分T
别为 ωd的一阶时间导数,平滑函数 未知参数s=[K1,K2,K3] ;
4)自适应律设计;
基于浸入-不变集方法定义自适应估计误差为:
其中 ω的连续函数β(ω)=[β1(ω),β2(ω),β3(ω)]T, β1(ω)、β2(ω)、β3(ω)是分别对应三个通道而设计的, 是对参数s的完整估计;
对式(6)两边同时求一阶时间导数,并将式(1)和式(6)代入整理得:其中 分别为 z的一阶时间导数,设计更新律 为:设计光滑函数β(ω)为:
此时γ=diag{γ1,γ2,γ3},且γ1,γ2,γ3均为正常数;
5)控制律设计
设计输入转矩τB为:
其中α=diag{α1,α2,α3},ε=diag{ε1,ε2,ε3}为正定的增益矩阵,α1、α2、α3、ε1、ε2、ε3均为常数,RT为旋转矩阵R的转置矩阵,实际的舵机输入控制形式为:A-1,C-1分别为矩阵A,C的逆矩阵,此时将式(9)和式(10)代入式(8)可将自适应更新律整理为:以上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制。
说明书 :
小型无人直升机的姿态非线性自适应控制方法
技术领域
背景技术
种线性模型是无人直升机非线性模型在平衡点处的近似处理,因而不可避免地限制了控制
器的应用范围(期刊:IEEE Transactions on Robotics;著者:Pounds P E I,Dollar A M;
出版年月:2014;文章题目:Stability of Helicopters in Compliant Contact Under
PD-PID Control;页码:1472-1486)。
Proceedings of the 58 th Annual Forum of the American Helicopter Society;著者
La Civita M,Messner W C,Kanade T;出版年月:2002年;文章题目:Modeling of small-scale helicopters with integrated first-principles and system-identification
techniques;页码:2505-2516)。Odelga M等人采用滑模控制来降低未知参数的影响,但是该控制器中包含符号函数,往往给系统附加了明显的抖振现象(会议:Proceedings of
American Control Conference;著者Odelga M,Chriette A,Plestan F;出版年月2012;文章题目:Control of 3 DOF helicopter:a novel autopilot scheme based on adaptive sliding mode control;页码:2545-2550)。鲜斌等人提出智能控制方法,利用神经网络对未知参数进行有效的估计,但是应用这种智能控制方法,其闭环系统的稳定性缺少严格的
理论证明(期刊:控制理论与应用;著者:鲜斌,古训,刘祥等;出版年月:2014;文章标题:小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计;页码:409-416)。Sadeghzadeh I等人采用模型参考自适应方法对未知参数进行实时的在线估计,通过被控对象的输出与参考模型的输出间
的误差,按一定的自适应律来修正控制律的参数,使被控对象的输出与参考模型的输出保
持一致(会议:Proceedings of American Society of Mechanical Engineers 2011
International Design Engineering Technical Conferences and Computers and
Information in Engineering Conference;著者:Sadeghzadeh I,Mehta A,Zhang Y;出版年月:2011;文章题目:Fault Tolerant Control of a Quadrotor Helicopter Using
Model Reference Adaptive Control;页码:997-1004)。Lee D等提出自校正自适应方法,该控制器包括参数估计律单元和控制律单元两部分。自校正自适应方法的多样性,取决于
估计器和控制律的选择,通过一个李雅普诺夫函数来确保估计器和控制器的整体稳定性,
不能保证估计器的独立性,且无法调节参数估计误差的收敛速率(期刊:International
Journal of Control Automation and Systems;著者Lee D,Jin Kim H,Sastry S;出版年月:2009;文章标题:Feedback linearization vs.adaptive sliding mode control for a quadrotor helicopter;页码419-428)。
发明内容
稳定的控制效果。为此,本发明采取的技术方案是,小型无人直升机的姿态非线性自适应控制方法,在小型无人直升机具有参数不确定性的情况下,将浸入-不变集方法用于小型无直升人机的姿态系统控制中,包括以下步骤:
=I,B,Bd)表示坐标系原点,xi,yi,zi(i=I,B,Bd)分别对应坐标系三个主轴方向的单位矢
量,各坐标系的定义均遵循右手定则;从当前机体坐标系{B}到惯性坐标系{I}之间的旋转
矩阵为R,从目标坐标系{Bd}到惯性坐标系{I}之间的旋转矩阵为Rd,目标机体坐标系{Bd}到
当前机体坐标系{B}的旋转矩阵为 同时定义直升机当前姿态角在坐标系{I}下表示为η
=[φ,θ,ψ]T,φ、θ、ψ分别对应当前旋转角、当前俯仰角和当前偏航角;当前角速度在机体坐标系{B}下表示为ω=[ω1,ω2,ω3]T,ω1、ω2、ω3分别对应当前旋转角速度、当前俯仰角速度和当前偏航角速度;目标轨迹姿态角在坐标系{I}下表示为ηd=[φd,θd,ψd]T,φd、θd、ψd分别对应目标旋转角、目标俯仰角和目标偏航角;目标角速度在目标坐标系{Bd}下表示为ωd=[ωd1,ωd2,ωd3]T,ωd1、ωd2、ωd3分别对应目标旋转角速度、目标俯仰角速度和目标偏航角速度;
阵,定义跟踪误差为:
于积分作用。此外,基于浸入-不变方法设计自适应更新律,使自适应跟踪误差独立于控制器的设计,而获得自身稳定收敛的效果。
附图说明
具体实施方式
=I,B,Bd)表示坐标系原点,xi,yi,zi(i=I,B,Bd)分别对应坐标系三个主轴方向的单位矢
量,各坐标系的定义均遵循右手定则。从当前机体坐标系{B}到惯性坐标系{I}之间的旋转
矩阵为R,从目标坐标系{Bd}到惯性坐标系{I}之间的旋转矩阵为Rd,目标机体坐标系{Bd}到
当前机体坐标系{B}的旋转矩阵为 同时定义直升机当前姿态角在坐标系{I}下表示为η=
[φ,θ,ψ]T,φ,θ,ψ分别对应当前旋转角、当前俯仰角和当前偏航角。当前角速度在机体坐标系{B}下表示为ω=[ω1,ω2,ω3]T,ω1、ω2、ω3分别对应当前旋转角速度、当前俯仰角速度和当前偏航角速度,目标轨迹姿态角在坐标系{I}下表示为ηd=[φd,θd,ψd]T,φd、θd、ψd分别对应目标旋转角、目标俯仰角和目标偏航角。目标角速度在目标坐标系{Bd}下表示为
ωd=[ωd1,ωd2,ωd3]T,ωd1、ωd2、ωd3分别对应目标旋转角速度、目标俯仰角速度和目标偏航角速度;
个通道的转动惯量J1、J2、J3均为常数,τ为机体坐标系下的输入转矩,旋转矩阵R表示为:
目标坐标系{Bd}到机体坐标系{B}间的转换矩阵 R 为矩阵R的逆矩
阵,定义跟踪误差为:
直升机硬件在环仿真平台上完成,实验平台具体情况如图2所示。该实验平台以基于Matlab RTW工具箱的xPC目标为实时仿真环境,选用TREX-450小型电动航模直升机作为机身本体,
整个硬件在环仿真系统控制频率为500Hz。采用自主设计的基于ARM Cortex-M3内核的惯性
测量单元作为传感器。该传感器提供三轴角度和角速度信息,旋转角、俯仰角的测量精度为±0.2°,偏航角的测量精度为±0.5°。
{1,1,0.5}.自适应参数初值 .实验过程中,首先由操作人员手动起飞无人直
升机,然后通过遥控器中的一路切换通道改为自动飞行状态。采用本发明所设计的控制器,具体镇定实验结果如图3所示。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别表示小型无人直升机姿态角、控制输入和参数估计曲线。操作人员在5.5s进行手动转自动切换,从图中可以看出,旋转角和俯仰角控制精度保持在±1°以内,偏航角控制精度为±2°以内。控制输入及参数估计 均稳
定在一定范围内,验证了所提出的控制器的合理性。