基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法技术

本发明专利技术公布了基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法，属于无人机容错控制技术领域。本发明专利技术所公布的控制方法步骤包括：结构损伤耦合力场：以无人旋翼机为对象，考虑到其结构损伤状态时所产生的耦合力矩，并根据无人机输入转矩引入故障损伤函数，构造耦合力场，得出无人机结构损伤状态下数学模型；结构损伤自适应补偿：通过无人机结构损伤产生的耦合力场构造的数学模型，设计自适应结构损伤控制器，对无人旋翼机的结构损伤状态下控制输入转矩进行分配，实现了结构损伤状态下无人机的最优稳定控制，降低了由于无人机结构损伤带来的损失。来的损失。来的损失。

【技术实现步骤摘要】
基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机容错控制
，具体是基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法。

技术介绍

[0002]无人旋翼机是一种有较强机动性的飞行器，由于其具有可垂直起降、悬停、安全性高的特点，普遍应用在环境监测，资源探索，以及灾情搜救等领域，但作为飞行器本身而言，控制系统普遍为MIMO系统，具备非线性，耦合性强的特性，由于工作环境的复杂，需要考虑在飞行过程中多种不确定因素的干扰，对于执行器故障及扰动部分，已有很多设计方案，然而对于无人旋翼机机构损伤而导致的动态特性变化与飞行控制设计较为困难，目前，针对无人旋翼机机构损伤的容错控制，尚未有较好的解决方案。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法，包括以下步骤：
[0006]P1：耦合力场的构建；
[0007]分别建立无人旋翼机的机体坐标系(OXYZ)
B
、旋翼坐标系(OXYZ)
R
和速度坐标系(OXYZ)
E
通过预测无人旋翼机未知机构损伤，根据结构损伤产生的耦合力矩，构造出无人机结构损伤下的耦合力场当飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OXY)
B
对称时产生气动耦合力矩当飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OX)
B
对称时产生惯量耦合力矩气动耦合力矩由滚转、俯仰、偏航三通道的耦合项和机体系三轴角速率计算而得，惯量耦合力矩由转动惯量I
xx
,I
yy
,I
zz
，和惯性积、惯量差I
xy
,I
y
‑
x
,I
x
‑
z
,I
y
‑
z
等计算而得，再由结构损伤状态下无人机控制输入转矩给三轴提供的合力得出结构损伤函数k
e
＝[k
e1
,k
e2
,k
e3
]T
表示无人旋翼机结构损伤程度，由无结构损伤下无人机和结构损伤下产生耦合力矩加权融合构造出无人旋翼机结构损伤下的耦合力场；
[0008]P2：自适应结构损伤补偿控制器；
[0009]首先得出无人旋翼机无结构损伤状态下的系统最优控制率u
d
，再根据耦合力场得出系统非线性动力学模型线性化求出无人机结构损伤状态下系统控制率u
e
，通过两种状态下的系统输出以及控制率构造出自适应控制器y
m
(t)
‑
y(t)＝G(z)(u
d
(t)
‑
u
e
(t))，其中G(z)为增益矩阵，由此计算出无人机结构损伤下自适应补偿控制率，通过李雅普诺夫方程计算自适应参数对结构损伤自适应补偿控制率进行实时更新，实现无人旋翼机在结构损伤状态下的稳定控制。
[0010]作为本专利技术的进一步方案：构造结构损伤状态下的无人旋翼机飞行控制系统控制
器，具体步骤如下：
[0011]S1：分别建立无人旋翼机的机体坐标系(OXYZ)
B
、旋翼坐标系(OXYZ)
R
和速度坐标系(OXYZ)
E
给出机构损伤时由于飞机结构变化导致的力矩耦合项：
[0012]飞机结构损伤导致外形不关于面(OXY)
B
对称时产生气动耦合力矩：
[0013][0014]飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OX)
B
对称时惯量耦合力矩：
[0015][0016]其中ι
L
、ι
M
、ι
N
分别对应三轴产生的气动耦合力矩和惯量耦合力矩，分别为滚转，俯仰，偏航三通道的耦合项，p,q,r表示绕机体坐标系三轴角速率，I
xx
,I
yy
,I
zz
表示转动惯量，I
xy
,I
y
‑
x
,I
x
‑
z
,I
y
‑
z
为惯性积以及惯量差；
[0017]在无人旋翼机实际运行过程中，由于结构损伤的未知性，在此引入结构损伤函数k
e
＝[k
e1
,k
e2
,k
e3
]T
表示无人旋翼机结构损伤程度；
[0018][0019]其中F
icol
,F
ilon
,F
ilat
,F
iped
.(i＝x,y,z)分别为结构损伤状态下无人旋翼机四个输入转矩给三轴提供的力，
[0020]F
xi
,F
yi
,F
zi
为三轴正常状态下的合力，根据耦合力矩及故障损伤函数构造出无人旋翼机结构损伤下的耦合力场；
[0021][0022]Δι为结构损伤状态下系统力矩，为正常状态下三通道力矩。
[0023]S2：根据耦合力场建立结构损伤无人旋翼机的系统状态非线性模型：
[0024][0025]其中为欧拉角，分别是滚转角、俯仰角、偏航角，ω(t)＝[p q r]T
为绕机体坐标系三轴角速率，I＝diag{I
xx I
yy I
zz
}为机身惯性矩阵，其中坐标变换矩阵与ω
*
(t)分别表示为：
[0026][0027]S3：构造无人旋翼机结构损伤自适应容错控制器
[0028]考虑到无人旋翼机结构损伤会造成的执行结构失效情况，无法获取故障对控制输入影响模式、类型、影响值，于是构造自适应容错控制器在无需预知故障信息情况下实现飞行控制系统的性能稳定，通过把无人机动力学模型写成状态量与状态相关矩阵乘积的形式，把非线性结构转化成为具备状态相关系数矩阵的线性结构：
[0029][0030]规定状态向量无人旋翼机控制系统控制输入为u＝[δ
col
δ
lon
δ
lat
δ
ped
]T
，分别是总矩、横向变矩、纵向变矩以及尾桨距，状态相关系数矩阵
[0031]得到如下状态空间方程
[0032][0033]根据如下性能指标，得出结构损伤下系统控制率u
e
[0034][0035]其中Q,R分别为状态权重矩阵和控制权重矩阵。
[0036]u
e
＝
‑
R
e
(z)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：P1：耦合力场的构建；分别建立无人旋翼机的机体坐标系(OXYZ)
B
、旋翼坐标系(OXYZ)
R
和速度坐标系(OXYZ)
E
通过预测无人旋翼机未知机构损伤，根据结构损伤产生的耦合力矩，构造出无人机结构损伤下的耦合力场，当飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OXY)
B
对称时产生气动耦合力矩当飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OX)
B
对称时产生惯量耦合力矩气动耦合力矩由滚转、俯仰、偏航三通道的耦合项和机体系三轴角速率计算而得，惯量耦合力矩由转动惯量I
xx
,I
yy
,I
zz
，和惯性积、惯量差I
xy
,I
y
‑
x
,I
x
‑
z
,I
y
‑
z
等计算而得，再由结构损伤状态下无人机控制输入转矩给三轴提供的合力得出结构损伤函数k
e
＝[k
e1
,k
e2
,k
e3
]
T
表示无人旋翼机结构损伤程度，由无结构损伤下无人机和结构损伤下产生耦合力矩加权融合构造出无人旋翼机结构损伤下的耦合力场；P2：自适应结构损伤补偿控制器；首先得出无人旋翼机无结构损伤状态下的系统最优控制率u
d
，再根据耦合力场得出系统非线性动力学模型线性化求出无人机结构损伤状态下系统控制率u
e
，通过两种状态下的系统输出以及控制率构造出自适应控制器y
m
(t)
‑
y(t)＝G(z)(u
d
(t)
‑
u
e
(t))，其中G(z)为增益矩阵，由此计算出无人机结构损伤下自适应补偿控制率，通过李雅普诺夫方程计算自适应参数对结构损伤自适应补偿控制率进行实时更新，实现无人旋翼机在结构损伤状态下的稳定控制。2.根据权利要求1所述的基于耦合力场无人机建模与结构损伤自适应容错控制方法，其特征在于，构造结构损伤状态下的无人旋翼机飞行控制系统控制器，具体步骤如下：S1：分别建立无人旋翼机的机体坐标系(OXYZ)
B
、旋翼坐标系(OXYZ)
R
和速度坐标系(OXYZ)
E
给出机构损伤时由于飞机结构变化导致的力矩耦合项：飞机结构损伤导致外形不关于面(OXY)
B
对称时产生气动耦合力矩：飞机结构损伤导致飞机外形不关于轴(OX)
B
对称时惯量耦合力矩：其中ι
L
、ι
M
、ι
N
分别对应三轴产生的气动耦合力矩和惯量耦合力矩，分别为滚转，俯仰，偏航三通道的耦合项，p,q,r表示绕机体坐标系三轴角速率，I
xx
,I
yy
,I
zz
表示转动惯量，I
xy
,I
y
‑
x
,I
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚雪莲，王俊阳，杨艺，吴凯，吴明宇，陈康，陈子强，倪闯，陈灵峰，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：