一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法

摘要

本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，提供一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法，相对于基于传统向量场制导的路径跟踪控制方法，本方法对外界扰动具有更好的鲁棒性，属于自动控制技术领域。其具体步骤如下：步骤一，给定期望跟踪值：给定期望平面路径；给定期望速度。步骤二，导航计算：计算消除期望位置与实际位置之间的误差所需的期望航向角。步骤三，路径跟踪航向角误差计算：计算期望航向角与实际航向角之间的误差。步骤四，滑模控制器计算：计算消除期望航向角与实际航向角间误差所需的控制量。

说明书

技术领域

本发明提供一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法，相对于基于传统向量场制导的路径跟踪控制方法，本方法对外界扰动具有更好的鲁棒性，属于自动控制技术领域。

背景技术

无人飞行器的跟踪控制包括轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种，是当今自主飞行控制研究的热点和难点。路径跟踪问题要求系统收敛到给定的且与时间无关的几何路径上，并做匀速或分段匀速运动。

目前路径跟踪主要的设计方法有反步法和制导路径跟踪理论等，其中制导方法包括视线制导、坐标变换制导、向量场制导等。向量场制导方法采用在跟踪路径周围建立向量场的方法解算期望姿态，而不是跟踪期望路径上虚拟点。场中的向量能够提供引导飞行器趋向期望路径所需的航向角信息，因而飞行器只需改变自身姿态即可实现路径跟踪。这种制导方式能够将控制目标中空间与时间解耦，为后续发展基于时间控制项的控制目标（如基于速度控制的协同组网）留下可能。

然而，传统的向量场制导技术在处理具有外界扰动的路径跟踪问题时具有一定的局限性。向量场向量角度的生成只与飞行器的位置误差有关，在飞行器受到位置扰动时，由于飞行器位置误差并未发生明显变化，因此向量场不能及时做出调整来消除扰动的影响。

本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，在传统向量场制导的基础上，加入位置误差积分项，提出了基于积分向量场制导方法的平面路径跟踪控制方法。该方法通过引入误差积分项，提高了路径跟踪算法对未知扰动的鲁棒性。由该方法控制的闭环系统是有界稳定的，且具有良好的收敛效果，这就为该无人飞行器在具有扰动情况下的路径跟踪控制问题提供了有效的设计手段。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于积分向量场制导技术的抗干扰路径跟踪控制方法，控制工程师可以按照该方法并结合实际参数实现飞行器在未知扰动环境中的路径跟踪控制。

(2)技术方案：本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，其主要内容及程序是：

路径跟踪的期望路径直线可以近似分解为参数化的直线和圆弧。基于积分向量场的平面路径跟踪方法先利用积分向量场理论在给定期望路径（包括直线和圆弧路径）所在平面建立导航向量场，生成期望角度；然后利用滑模控制理论设计路径跟踪控制器，使其跟踪误差在有限时间内趋近于零。实际应用中，飞行器的位置、姿态、速度等状态量由组合惯导等机载传感器测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至舵机与发动机等执行装置即可实现飞行器的平面路径跟踪功能。

本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，其具体步骤如下：

步骤一给定期望跟踪值：给定期望平面路径；给定期望速度；

步骤二导航计算：计算消除期望位置与实际位置之间的误差所需的期望航向角；

步骤三路径跟踪航向角误差计算：计算期望航向角与实际航向角之间的误差；

步骤四滑模控制器计算：计算消除期望航向角与实际航向角间误差所需的控制量。

其中，在步骤一中所述的给定期望平面路径分为直线和圆弧两种，直线路径由直线与北向夹角与规划路径起始点坐标确定，记作；圆路径由圆心位置与半径确定记作。所述的给定期望速度为，为常数，为期望速度沿艇体坐标系的分解量。

其中，在步骤二中所述的计算消除期望位置与实际位置之间的误差所需的期望航向角，其计算方法如下：

直线：，其中为设定的初始航向角，为机体与直线路径之间的位置误差，可由规划路径起始点坐标机体位置坐标与直线路径由直线与北向夹角求得，为位置误差积分项，为控制参数；为无人飞行器航向角，可由机体轴与北向夹角与直线位置角求得，即，为决定向量场中向量方向转换速度的参数；

圆弧：，其中为机体位置与期望路径圆心连线与北向夹角，可由机体位置与期望路径圆心位置求得，为机体位置与期望路径之间的距离，为位置误差积分项，为控制参数；为决定向量场中向量方向转换速度的参数。

其中，在步骤三中所述的路径跟踪航向角误差，其计算方法如下：

直线：

圆弧：。

其中，在步骤四中所述的消除期望航向角与实际航向角之间的误差所需的控制量，其计算方法如下：

直线：

其中，控制参数均大于0，且满足，，为任意值；

圆：

其中，控制参数均大于0，且满足，，为任意值。

(3)优点及效果：

本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，与现有技术比，其优点是：

1)该方法直接利用路径周围向量场而不是跟踪路径上虚拟点进行路径跟踪，将时间与空间解耦，可实现其他与时间相关的控制目的，如在时间约束下的协同飞行；

2)该方法能够保证闭环系统的渐近稳定性能，且收敛速度及滑动流形边界层厚度可根据实际要求进行调节；

3)该方法相比与传统向量场制导方法，增加了位置误差积分项，增加了路径跟踪控制算法对未知扰动的鲁棒性；

4)该方法采用变结构控制算法，结构简单，响应速度快，易于工程实现。

控制工程师在应用过程中可以根据实际无人飞行器给定任意期望巡航路径，并将由该方法计算得到的控制量直接传输至执行机构实现路径跟踪功能。

附图说明：

图1为本发明所述控制方法流程框图；

图2为本发明向量场直线路径导航计算几何关系图；

图3为本发明向量场圆弧路径导航计算几何关系图；

符号说明如下：

为直线期望路径规划起始点位置；

为无人飞行器在惯性坐标系下的当前位置；

期望直线路径与北向夹角；

无人飞行器航向角；

无人飞行器期望航向角；

无人飞行器航向角误差；

无人飞行器航向角速度；

惯性系中无人飞行器速度；

无人飞行器机体坐标系下线速度；

无人飞行器机体坐标系下角速度；

机体轴与北向夹角；

无穷远处航向角，向量场参数，为可调节正数；

圆弧路径圆心位置坐标；

圆弧路径半径；

机体位置和圆心位置连线与北向夹角

机体距离圆心距离。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明中的各部分设计方法作进一步的说明：

本发明“一种抗干扰无人飞行器路径跟踪控制方法”，见图1所示，具体步骤如下：

步骤一：给定期望跟踪值

1)以无人飞行器浮心为原点建立艇体坐标系；以地面上任一点为原点建立惯性坐标系，其中原点为地面任意一点，指向北，指向东，指向地心；

2)给定期望平面路径，包括直线和圆弧。其中，如图2所示，直线路径由直线与北向夹角与规划路径起始点坐标确定，记作；如图3所示，圆弧路径由圆心位置与半径确定，记作；

3)给定期望速度，为常数，为期望速度沿机体坐标系的分解量。在无人飞行器工作环境中，无垂直方向风速，水平风速较小，可将其影响忽略。本方法中控制无人飞行器前向速度为定值，因而对于水平面内路径跟踪，可认为卫星前向速度与地速相等，即。

步骤二：计算期望航向角

1)直线路径期望航向角计算：

首先，计算机体距离直线的位置误差，如图2所示；

然后，给定无穷远处航向角；

最后，计算直线路径期望航向角；

2)圆弧路径期望航向角计算：

首先，计算机体距离圆心的位置误差，如图3所示，；

然后，计算机体位置与圆心位置连线与北向坐标轴夹角，如图3所示，；

最后，计算圆弧路径期望航向角，；

步骤三：计算路径跟踪航向角误差

1)对于直线路径，航向角为机体轴相对于直线的偏转角度，可由机体轴与北向坐标轴夹角与直线位置角求得，即；

2)对于圆弧路径，航向角为机体轴与北向坐标轴夹角，可直接测得；

3)分别求直线与圆弧路径的航向角误差：

直线：

圆：。

步骤四：设计滑模控制路径跟踪控制器

1)对于配有自动驾驶仪的无人飞行器，可通过对自驾仪程序的编码使其航向角控制回路的动力学模型表示如下：

其中，为航向角控制输入，为表征该回路响应快慢的参数；

2)对于直线路径，采用一个滑动模型来保证系统路径在有限时间内收敛到期望路径：

则有

取控制项为

其中，控制参数均大于0，且满足，，为任意值；

按照上述方法设计控制参数，可以保证系统稳定性；

3)对于圆弧路径，采用一个滑动模型来保证系统路径在有限时间内收敛到期望路径：

则有

取控制项为

其中，控制参数均大于0，且满足，，为任意值。按照上述方法设计控制参数，可以保证系统稳定性。