关键词：
无人直升机
跟踪控制
模型预测
避障
路径规划
滑模控制
最优控制
事件触发
摘要：
无人直升机具有能悬停、垂直起飞降落、侧向飞行、倒立飞行等良好的飞行特性,因而被广泛用于重要的民用及军事领域,同时其飞行控制技术也得到了迅猛发展。作为一种重要的应用,无人直升机跟踪控制能用于空地协同、自主着舰以及电力巡检等领域,因而得到了广泛关注和研究。然而,由于自身系统特性与复杂的外部环境,无人机在完成跟踪任务过程中不可避免会受到各种未知因素影响,例如目标短暂丢失、路径避障以及能耗受限等问题。因此,本文针对复杂情形下无人直升机跟踪控制设计中若干重要问题,开展深入探讨并取得了一些有意义的成果,研究具有一定理论价值和应用前景。主要工作总结如下:
1)针对无人直升机对地面目标跟踪控制过程中地面目标参考信号短暂丢失的问题进行研究。首先,将信号丢失时间内的地面目标轨迹分解为平稳与非平稳两部分,其中平稳部分利用差分整合移动平均自回归模型获得理想状态下地面目标运行轨迹,即参考信号平稳预测模型,其次,为了弥补实际地面目标受到干扰后与无人机预测参考信号的偏差,利用均值漂移聚类方法对实际地面轨迹与平稳预测轨迹差值进行分组,借助马尔可夫状态迁移矩阵理论对差值进行预测建模获得了非平稳预测模型。再次,利用平稳预测模型作为预测参考模型骨架,以非平稳预测模型作为地面目标运行中可能受到的未知干扰影响模型,获得了针对地面目标信号短暂丢失过程中无人机跟踪目标的预测参考轨迹。最后,采用滑模控制技术设计无人机的跟踪控制器,减少外界干扰对跟踪性能带来的不利影响,通过仿真验证所提控制方法的有效性。
2)针对无人直升机跟踪过程中可能受到障碍物影响的情况进行分析,以无人机自身感知能力为基础设定感知距离,将无人机可能面临的障碍物分为静态障碍物与动态障碍物两类。首先,基于无人机与大型静态障碍物的相对位置设计在不同障碍物形状特征下的UAH避障轨迹,建立针对大型静态障碍物的避障策略。其次,为了贴近实际中障碍物形状多变的情况进行了避障方案拓展,对比考虑由不同空间角度下进行障碍物避障时可能产生的绕行距离,设计三维立体空间中的静态障碍物避障方案。再次,考虑到动态障碍物因其运动能力通常体积较小,采用平面避障方案或三维避障方案的绕行距离相差不大,为了降低避障所带来的运算量,选择了只进行平面避障的方式来处理动态障碍物,通过引入对动态障碍物未来运动趋势的估计,设计出针对动态障碍物的避障策略。最后,采用最优控制的技术设计无人直升机跟踪控制器平衡无人直升机的跟踪性能与续航能力,并通过仿真进行了验证。
3)针对外部干扰下无人直升机应变复杂情况导致的计算能耗增加的问题进行研究。首先,对无人直升机在执行跟踪任务时所受外界干扰建立干扰观测器,通过建立辅助量的方式得到干扰估计与观测误差系统。其次,利用干扰估计与跟踪误差等并借助反步控制方法完成跟踪控制器设计。再次,提出事件触发机制对跟踪误差信号进行检测以降低飞控计算量,同时为了降低外界干扰变化率带来的跟踪性能影响,设计H∞性能指标对此类能量有界干扰进行抑制。随后,对固定阈值下事件触发机制设计进行改进,使得阈值能够随着系统特性实时动态调整。针对上述两种事件触发测量,分别基于线性矩阵不等式给出事件触发器、观测器及控制器的联合求解方案。最后,通过仿真验证所提控制设计方法的有效性。
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