基于Backstepping自適應(yīng)的固定翼無人機(jī)控制方法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始漸漸走入人們的視野，其應(yīng)用領(lǐng)域也從軍用向著民用逐漸轉(zhuǎn)變，由于無人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)日趨多樣化，對無人機(jī)快速的執(zhí)行能力與準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等方面的性能要求也在不斷地提高，其飛行安全性與穩(wěn)定性等問題愈加的受到重視。無人機(jī)控制的核心是飛行控制律，目前超過八成的小型無人機(jī)均采用傳統(tǒng)的PID控制器，但是在一些控制精度要求較高的場合，PID控制器常常無法同時滿足快速性與準(zhǔn)確性的需求，尤其當(dāng)舵面發(fā)生意外受損等情況時，傳統(tǒng)的PID控

2、制將無法完成對無人機(jī)的控制，甚至發(fā)生墜落等危險。
　　基于對無人機(jī)的實際控制需求與目前PID控制律的不足，本文提出并設(shè)計了一種基于反演法的固定翼無人機(jī)自適應(yīng)控制律，該控制律以自適應(yīng)控制的“以動制動”思想為出發(fā)點，由系統(tǒng)的輸出推導(dǎo)實時的控制律，普遍適用于無人機(jī)等非線性強(qiáng)耦合時變系統(tǒng)；同時結(jié)合反演法的遞推思想，使設(shè)計思路清晰明確，控制律的求取簡單易行。
　　首先，本文建立了無人機(jī)在空中平穩(wěn)飛行時的數(shù)學(xué)模型，通過小擾動線性化和引入

3、舵機(jī)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出描述無人機(jī)實際姿態(tài)轉(zhuǎn)角與輸入期望轉(zhuǎn)角之間的傳遞函數(shù)，同時也對舵面損傷進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。基于此設(shè)計了一種性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID的改進(jìn)型智能自適應(yīng)PID控制器，該控制器采用專家控制的設(shè)計思想，將實際輸出響應(yīng)分成不同的段，分別依據(jù)實際輸出設(shè)計不同的PID控制律與控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)的快速性與準(zhǔn)確性整體提升；
　　其次，分別使用自適應(yīng)反演控制律與智能自適應(yīng)PID控制律對無人機(jī)完好的情況進(jìn)行 MATLAB/Simulink

4、仿真，分析兩種控制律對無人機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)和航向三個姿態(tài)的控制性能，結(jié)果顯示，在快速性方面智能自適應(yīng)PID控制律略占優(yōu)勢，在準(zhǔn)確性方面自適應(yīng)反演控制律明顯占優(yōu)；
　　再次，引入舵面損傷模型，仿真分析在舵面效率缺損、舵面卡死和舵面浮松三種情況關(guān)于俯仰、滾轉(zhuǎn)和航向三個姿態(tài)方向下兩種控制律的控制性能。結(jié)果顯示，發(fā)生舵面效率缺損時，智能自適應(yīng)PID控制律的超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時間明顯增長，無法滿足無人機(jī)快速性的控制需求，而自適應(yīng)反演控制律的超調(diào)量

5、基本不變，調(diào)節(jié)時間只是略微延長，依舊可以保持良好的控制性能。發(fā)生舵面卡死和舵面浮松時，智能自適應(yīng)PID控制律的系統(tǒng)輸出無法跟蹤期望輸入，于是無法對無人機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，而自適應(yīng)反演控制律則依舊可以保持相對較好的快速性與準(zhǔn)確性，控制無人機(jī)完成相關(guān)任務(wù)；
　　最后，使用天行者1680固定翼無人載機(jī)對自適應(yīng)反演控制律與智能自適應(yīng)PID控制律進(jìn)行實際飛行驗證，通過飛行日志的分析，驗證了了仿真分析的正確性，同時證明了自適應(yīng)反演控制律應(yīng)用于固