基于Backstepping自适应的固定翼无人机控制方法研究

【摘要】：随着科学技术的发展,无人机开始渐渐走入人们的视野,其应用领域也从军用向着民用逐渐转变,由于无人机执行的任务日趋多样化,对无人机快速的执行能力与准确的稳态响应等方面的性能要求也在不断地提高,其飞行安全性与稳定性等问题愈加的受到重视。无人机控制的核心是飞行控制律,目前超过八成的小型无人机均采用传统的PID控制器,但是在一些控制精度要求较高的场合,PID控制器常常无法同时满足快速性与准确性的需求,尤其当舵面发生意外受损等情况时,传统的PID控制将无法完成对无人机的控制,甚至发生坠落等危险。基于对无人机的实际控制需求与目前PID控制律的不足,本文提出并设计了一种基于反演法的固定翼无人机自适应控制律,该控制律以自适应控制的“以动制动”思想为出发点,由系统的输出推导实时的控制律,普遍适用于无人机等非线性强耦合时变系统;同时结合反演法的递推思想,使设计思路清晰明确,控制律的求取简单易行。首先,本文建立了无人机在空中平稳飞行时的数学模型,通过小扰动线性化和引入舵机数学模型,推导出描述无人机实际姿态转角与输入期望转角之间的传递函数,同时也对舵面损伤进行了数学建模。基于此设计了一种性能明显优于传统PID的改进型智能自适应PID控制器,该控制器采用专家控制的设计思想,将实际输出响应分成不同的段,分别依据实际输出设计不同的PID控制律与控制参数,从而使系统的快速性与准确性整体提升;其次,分别使用自适应反演控制律与智能自适应PID控制律对无人机完好的情况进行MATLAB/Simulink仿真,分析两种控制律对无人机俯仰、滚转和航向三个姿态的控制性能,结果显示,在快速性方面智能自适应PID控制律略占优势,在准确性方面自适应反演控制律明显占优;再次,引入舵面损伤模型,仿真分析在舵面效率缺损、舵面卡死和舵面浮松三种情况关于俯仰、滚转和航向三个姿态方向下两种控制律的控制性能。结果显示,发生舵面效率缺损时,智能自适应PID控制律的超调量增大,调节时间明显增长,无法满足无人机快速性的控制需求,而自适应反演控制律的超调量基本不变,调节时间只是略微延长,依旧可以保持良好的控制性能。发生舵面卡死和舵面浮松时,智能自适应PID控制律的系统输出无法跟踪期望输入,于是无法对无人机进行相应的控制,而自适应反演控制律则依旧可以保持相对较好的快速性与准确性,控制无人机完成相关任务;最后,使用天行者1680固定翼无人载机对自适应反演控制律与智能自适应PID控制律进行实际飞行验证,通过飞行日志的分析,验证了了仿真分析的正确性,同时证明了自适应反演控制律应用于固定翼无人机姿态控制的可行性与实用性。