無人機快速魯棒自適應(yīng)軌跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、無人機軌跡跟蹤控制是無人機自主飛行控制的一種重要模式。軌跡跟蹤控制算法則是確保無人機跟蹤期望軌跡的關(guān)鍵。隨著無人機應(yīng)用領(lǐng)域的日益拓展，任務(wù)環(huán)境的日益苛刻，對無人機復(fù)雜動態(tài)不確定環(huán)境下的運動要求不斷提高，需要研究控制精度更高、參數(shù)自適應(yīng)速度更快、魯棒性能更強的軌跡跟蹤控制方法。論文以解決無人機軌跡跟蹤過程中如何提高精度、參數(shù)自適應(yīng)速度以及系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵技術(shù)為目的，系統(tǒng)的研究了軌跡跟蹤控制問題中的建模以及控制問題。論文主要研究成果如下：<

2、br>　?。?）從確保系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)的快速性和應(yīng)對干擾以及不確定性的魯棒性出發(fā)，綜合經(jīng)典控制以及自適應(yīng)控制理論，提出了一種 L1自適應(yīng)控制的改進方法。L1自適應(yīng)控制方法通過在控制回路中引入低通濾波器，將自適應(yīng)回路和控制回路解耦，從而使得系統(tǒng)能夠在不犧牲魯棒性的同時快速適應(yīng)參數(shù)或干擾的不確定變化?？焖僮赃m應(yīng)能力允許補償由不確定環(huán)境和系統(tǒng)動力學(xué)的改變導(dǎo)致的非期望響應(yīng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。論文針對L1自適應(yīng)控制方法跟蹤時變參考指令時，存在的信號追

3、蹤時滯現(xiàn)象，提出了一種L1自適應(yīng)控制的改進方法。通過在L1自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)中加入一個線性/非線性比例微分積分增穩(wěn)項來提高指令追蹤的精度，消除追蹤過程中的時滯現(xiàn)象，同時在瞬態(tài)性能上，改進方法較原始方法也有所提升，進一步增強了方法的適用性。改進L1自適應(yīng)控制方法為無人機軌跡跟蹤控制器設(shè)計提供了精度高、參數(shù)自適應(yīng)速度快、魯棒性強的方法基礎(chǔ)。
　?。?）提出了一套完整的無人機軌跡跟蹤控制問題求解框架，將問題解耦為內(nèi)、外兩個控制回路，分別設(shè)計

4、了基于動態(tài)逆方法的外環(huán)引導(dǎo)控制器，以及基于改進L1自適應(yīng)控制方法的無人機內(nèi)環(huán)自適應(yīng)增穩(wěn)控制器。1）基于跟蹤虛擬目標(biāo)的思想推導(dǎo)建立了運動學(xué)層面上的無人機軌跡跟蹤誤差動力學(xué)模型，并給出了較為通用的帶自駕儀的無人機動力學(xué)模型；2）將無人機軌跡跟蹤控制問題分解為內(nèi)、外兩個回路，分別設(shè)計了基于動態(tài)逆方法的外環(huán)引導(dǎo)控制器，以及基于改進L1自適應(yīng)控制方法的無人機內(nèi)環(huán)自適應(yīng)增穩(wěn)控制器。內(nèi)環(huán)增穩(wěn)控制器的性能仿真以及跟蹤直線、螺旋線、B樣條曲線的仿真實驗結(jié)

5、果表明：無人機能夠精確跟蹤期望參考軌跡，基于L1自適應(yīng)控制改進方法的內(nèi)環(huán)增穩(wěn)控制器能夠有效應(yīng)對干擾以及不確定性。驗證了方法的有效性。
　　（3）將單機軌跡跟蹤擴展到多無人機協(xié)同軌跡跟蹤控制問題中，通過將其描述為機器人領(lǐng)域經(jīng)典的一致性問題，設(shè)計了基于比例積分方法的分布式魯棒協(xié)同控制律，以及基于L1自適應(yīng)控制改進方法的速度增穩(wěn)控制器，保證了分布式多無人機時-位控制的一致性。1）推導(dǎo)建立了多無人機分布式協(xié)同時-位控制的一致性問題模型，通

6、過一致性協(xié)調(diào)狀態(tài)變量的網(wǎng)絡(luò)交換，從而調(diào)節(jié)速度大小來實現(xiàn)整個機群的時-位一致；2）設(shè)計了一種基于比例積分方法的分布式魯棒協(xié)同控制律，并針對通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時變條件下出現(xiàn)的速度震蕩現(xiàn)象，將L1自適應(yīng)控制改進方法應(yīng)用于速度控制回路的增穩(wěn)控制，保證了整個機群的時-位一致。仿真結(jié)果表明，多架無人機之間能夠?qū)崿F(xiàn)時-位協(xié)調(diào)一致，驗證了方法的有效性。
　　（4）依托實驗室已有自駕儀飛行控制板，完成了軌跡跟蹤控制算法的嵌入式移植與半物理仿真驗證。1）將