抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机技术

本发明专利技术公开了一种抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机，该方法包括：根据太阳能无人机在高空状态时的实际速度、实际高度以及目标速度、目标高度，计算其在当前时刻的总能量误差和总能量分配误差；将总能量误差作为其中油门通道的控制输入，计算油门PID参数；根据该油门PID参数计算油门通道总的控制量并进行限幅处理；将总能量分配误差作为其中俯仰通道的控制输入，计算俯仰PID参数；根据该俯仰PID参数计算俯仰通道总的控制量并进行限幅处理。其中，计算俯仰PID参数时还进行抗饱和处理。本发明专利技术提供的该增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机，有利于增强控制平稳性，以及避免控制量饱和造成的动态特性下降问题。

Anti saturation incremental PID longitudinal guidance method and solar UAV Based on it

【技术实现步骤摘要】
抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机
本专利技术涉及飞行器控制系统领域，尤其涉及一种抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机。
技术介绍
太阳能无人机不受能源的限制，特别适合执行超长时间的侦察、监视和通信中继等任务，是未来无人机的一个重要发展方向。太阳能无人机通常飞行速度低，飞行包线窄，抗击外界干扰的能力差，这对无人机的速度控制系统是一个很大的考验。同时由于太阳能无人机的太阳能电池系统转换效率低、重量大以及储能系统能量密度小等原因，太阳能无人机需要在结构设计及选材等方面尽可能减轻全机重量，造成全机载荷能力差、外形尺寸大等不足，甚至带来严重的气动弹性问题，影响无人机的稳定性、操纵性及安全性。如何在恶劣的干扰环境下，保证无人机飞行速度的控制精度，避免速度过低而失速或速度过高而使全机承受严酷的载荷考验是太阳能无人机飞行控制系统需要重点解决的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述问题，本专利技术提供了一种抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机，以缓解现有太阳能无人机速度控制中的动态特性下降导致控制误差加大等问题。(二)技术方案在本专利技术中，提供了一种抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机，其中：该抗饱和增量式PID纵向制导方法包括：根据太阳能无人机在高空状态时的实际速度、实际高度以及目标速度、目标高度，计算该太阳能无人机当前时刻的总能量误差和总能量分配误差；将总能量误差作为太阳能无人机中油门通道的控制输入，计算油门PID参数；根据该油门PID参数计算油门通道总的控制量并进行限幅处理；将总能量分配误差作为太阳能无人机中俯仰通道的控制输入，计算俯仰PID参数；根据该俯仰PID参数计算俯仰通道总的控制量并进行限幅处理；和/或，其中计算俯仰PID参数时还进行抗饱和处理。基于该抗饱和增量式PID纵向制导方法的太阳能无人机包括：传感器系统，输出太阳能无人机的空速及高度信息；任务规划系统，输出指令信息；制导系统，接收传感器系统和任务规划系统的信息并基于上述抗饱和增量式PID纵向制导方法发布制导指令；动力系统，接收制导指令中的油门指令实现对油门通道的控制；姿控系统，接收制导指令中的俯仰角指令和/或滚转角指令实现对俯仰通道的控制；以及操纵系统，根据姿控系统的输出指令实现对无人机的飞行控制。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术提供的该抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机，具有以下有益效果：(1)本专利技术通过增量式PID+总能量法设计纵向制导律，有利于制导回路指令的平滑，增强控制平稳性；(2)本专利技术对增量式PID方法进行抗饱和处理，能有效避免制导系统输入发生大幅快速变化或飞机遇到突发性干扰时，由于控制量饱和造成的动态特性下降问题。附图说明图1为本专利技术实施例抗饱和增量式PID纵向制导方法实施的流程图；图2为本专利技术实施例基于抗饱和增量式PID纵向制导方法的太阳能无人机中制导模块与其他分系统信息交互的示意图；图3为本专利技术实施例中对俯仰角指令进行抗饱和处理的示例图；图4为本专利技术实施例抗饱和优化后与优化前空速控制结果的对比；图5为本专利技术实施例抗饱和优化前俯仰角指令的分项展示图；图6为本专利技术实施例抗饱和优化后俯仰角指令的分项展示图。图中：31-俯仰PID参数的积分项；32-俯仰PID参数的比例微分项；33-俯仰PID参数的积分项+俯仰PID参数的比例微分项；41-优化前的空速控制效果；42-抗饱和优化后的空速控制效果；51-俯仰角指令控制优化前后的积分项；52-俯仰角指令控制优化前后的比例微分项；53-俯仰角指令控制优化前后的积分项+俯仰角指令控制优化前后的比例微分项。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。聚焦解决在有限的操纵性下实现太阳能无人机飞行速度的精确控制问题，本专利技术提出一种抗饱和增量式PID纵向制导方法及基于其的太阳能无人机。针对太阳能无人机飞行速度低，抗干扰能力弱，低操纵性等固有特性，研究一种具有抗饱和功能的增量式PID纵向制导方法。有鉴于此，本专利技术一实施例提供了一种基于该抗饱和增量式PID纵向制导方法的太阳能无人机，请参照图2，包括：传感器系统，输出太阳能无人机的定位及空速信息；任务规划系统，输出指令信息；制导系统，接收传感器系统和任务规划系统的信息并基于其通过该抗饱和增量式PID纵向制导方法发布制导指令；动力系统，接收制导指令中的油门指令实现对油门通道的控制；姿控系统，接收制导指令中的俯仰角指令和/或滚转角指令实现对俯仰通道的控制；以及操纵系统，根据姿控系统的输出指令实现对无人机的飞行控制。进一步的，为了对该抗饱和增量式PID纵向制导方法做更加详细的说明，本专利技术另一实施例提供了一种抗饱和增量式PID纵向制导方法，通过六个流程步骤实现，分别是：误差计算、油门PID参数计算、油门控制量设计、俯仰PID参数计算、抗饱和处理和俯仰控制量设计，具体地，请参照图1，为本实施例实现太阳能无人机飞行控制的抗饱和增量式PID纵向制导方法的流程图，其具体实现方法包括如下步骤：第一步：根据太阳能无人机在高空状态时的目标速度、目标高度以及实际速度、实际高度，计算出太阳能无人机在当前时刻的总能量误差和总能量分配误差，进一步的，该步骤还包括：步骤1：接收传感器系统输出的空速及高度信息，计算实际动能和实际势能，并计算出实际总能量和实际总能量分配。对于k时刻，首先计算出当前实际动能和实际势能：a)实际动能：EK(k)＝0.5·v(k)2b)实际势能：EP(k)＝g·H(k)其中，g为重力加速度，v(k)为k时刻的实际速度，H(k)为k时刻的实际高度；则实际总能量和总能量分配按下式计算：a)实际总能量：Etotal(k)＝EP(k)+EK(k)b)实际总能量分配：Ltotal(k)＝(2-kK)·EP(k)-kK·EK(k)其中，kK为动能分配权重，其值介于0～2之间。步骤2：接收任务规划系统输出的指令速度和指令高度，计算期望动能和期望势能，并计算出期望总能量和期望总能量分配。k时刻期望动能和期望势能为：a)期望动能：EK_c(k)＝0.5·vc(k)2b)期望势能：EP_c(k)＝g·Hc(k)其中，vc(k)为k时刻的期望速度，Hc(k)为k时刻的期望高度；则期望总能量和期望总能量分配由下式得到：a)期望总能量：Etotal_c(k)＝EP_c(k)+EK_c(k)b)期望总能量分配：Ltotal_本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于，包括：/n根据太阳能无人机在高空状态时的实际速度、实际高度以及目标速度、目标高度，计算所述太阳能无人机当前时刻的总能量误差和总能量分配误差；/n将所述总能量误差作为太阳能无人机中油门通道的控制输入，计算油门PID参数；/n根据所述油门PID参数计算油门通道总的控制量并进行限幅处理；/n将所述总能量分配误差作为太阳能无人机中俯仰通道的控制输入，计算俯仰PID参数；/n根据所述俯仰PID参数计算俯仰通道总的控制量并进行限幅处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于，包括：
根据太阳能无人机在高空状态时的实际速度、实际高度以及目标速度、目标高度，计算所述太阳能无人机当前时刻的总能量误差和总能量分配误差；
将所述总能量误差作为太阳能无人机中油门通道的控制输入，计算油门PID参数；
根据所述油门PID参数计算油门通道总的控制量并进行限幅处理；
将所述总能量分配误差作为太阳能无人机中俯仰通道的控制输入，计算俯仰PID参数；
根据所述俯仰PID参数计算俯仰通道总的控制量并进行限幅处理。


2.根据权利要求1所述的抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于，所述计算俯仰PID参数时还进行抗饱和处理。


3.根据权利要求2所述的抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于，计算所述总能量误差和总能量分配误差还包括：
计算实际总能量和实际总能量分配：
实际动能：Ek(k)＝0.5·v(k)2，
实际势能：EP(k)＝g·H(k)，
实际总能量：Etotal(k)＝EP(k)+EK(k)，
实际总能量分配：Ltotal(k)＝(2-kK)·EP(k)-kK·EK(k)；
计算目标总能量和目标总能量分配：
目标动能：EK_c(k)＝0.5·vc(k)2，
目标势能：EP_c(k)＝g·Hc(k)，
目标总能量：Etotal_c(k)＝EP_c(k)+EK_c(k)，
目标总能量分配：Ltotal_c(k)＝(2-kK)·EP_c(k)-kK·EK_c(k)；
计算总能量误差和总能量分配误差：
总能量误差：Etotal_e(k)＝Etotal_c(k)-Etotal(k)，
总能量分配误差：Ltotal_e(k)＝Ltotal_c(k)-Ltotal(k)；
其中，g为重力加速度，v(k)和vc(k)分别为k时刻的实际速度和目标速度，H(k)和Hc(k)分别为k时刻的实际高度和目标高度，kK为动能分配权重，其值为0～2。


4.根据权利要求3所述的抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于，所述油门PID参数包括：
积分项：ΔThr_I(k)＝Ki·Etotal_e(k)，Ki＝kThrp·kThri·T；
比例微分项：
ΔThr_PD(k)＝(Kp+Kd)·Etotal_e(k)-(Kp+2Kd)·Etotal_e(k-1)+Kd·Etotal_e(k-2)，
Kp＝kThrp，Kd＝kThrp·kThrd/T；
累计积分项：Thr_I(k)＝Thr_I(k-1)+ΔThr_I(k)；
累计比例微分项：Thr_PD(k)＝Thr_PD(k-1)+ΔThr_PD(k)；
其中，kThrp为电机转速通道比例因子，kThri为电机转速通道的积分，T为制导采样周期，kThrd为电机转速的微分系数。


5.根据权利要求4所述的抗饱和增量式PID纵向制导方法，其特征在于：
所述油门通道总的控制量为Thr(k)＝Thr_I(k)+Thr_PD(k)；以及
所述油门通道总的控制量的限幅处理包括：
设置油门通道控制量变化率的限幅值dThrLimt，和油门通道总的控制量的限幅值ThrLimt；
当(Thr(k)-Thr(k-1))/T＞dThrLimt时，令Thr(k)＝Thr(k-1)+dThrLimt·T；
当(Thr(k)-Thr(k-1))/T＜-dThrLimt时，令Thr(k)＝Thr(k-1)-dThrLimt·T；
当Thr(k)＞ThrLimt时，令Thr(k)＝ThrLimt；
当T...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙文跃，杨延平，户艳鹏，温阳，张子健，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11