專利名稱：一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)飛行控制領(lǐng)域，具體地說(shuō)是指一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配技木。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代無(wú)人機(jī)朝著高機(jī)動(dòng)性、高可靠性的方向發(fā)展。具有多個(gè)操縱面，使其操縱靈活性增強(qiáng)，形成多操縱面布局的氣動(dòng)余度，從而提高了無(wú)人機(jī)的控制能力，増加了飛行控制系統(tǒng)的控制冗余度。對(duì)于無(wú)人機(jī)每個(gè)通道的控制來(lái)說(shuō)，都有多個(gè)操縱面可以同時(shí)利用。因此，通過(guò)多個(gè)操縱面的同時(shí)偏轉(zhuǎn)，可以產(chǎn)生直接升力或側(cè)カ等非常規(guī)機(jī)動(dòng)的控制效果，并且當(dāng)一個(gè)操縱面發(fā)生故障時(shí)，有多個(gè)其它有效操縱面可供選擇，這為高可靠飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了可能性。多個(gè)冗余的操縱面在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)也帶來(lái)了如何將控制指令分配到各個(gè)操縱面的問(wèn)題?？刂品峙浼夹g(shù)是解決此類問(wèn)題的有效方法，它在滿足無(wú)人機(jī)操縱面偏轉(zhuǎn)位置和速率約束的前提下，將控制指令以某種最優(yōu)指標(biāo)分配到各個(gè)操縱面?？刂品峙浼夹g(shù)將飛行控制系統(tǒng)分為飛行控制律設(shè)計(jì)和控制分配兩個(gè)環(huán)節(jié)，從而明確了整個(gè)系統(tǒng)的物理概念，簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了不同飛行控制方法和控制分配方法的可重用性。目前見諸文獻(xiàn)的控制分配方法有廣義逆方法、鏈?zhǔn)竭f增方法、直接分配方法、線性規(guī)劃法、二次規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)控制分配方法等。這些控制分配方法均為開環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)各個(gè)操縱面處于正常工作狀態(tài)時(shí)，它們可以達(dá)到較好的控制分配效果，但當(dāng)某個(gè)操縱面發(fā)生故障吋，它們往往無(wú)法取得理想的控制效果。角加速度傳感器是測(cè)量無(wú)人機(jī)角加速度的有效手段，具有體積小、重量輕、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。角加速度傳感器由三個(gè)安裝于無(wú)人機(jī)機(jī)體軸上的角加速度計(jì)組成，它們分別感受三個(gè)軸線方向的角加速度并輸出，則可以得到無(wú)人機(jī)的角加速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，在操縱面正常工作或發(fā)生故障的情況下，通過(guò)多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法將期望控制指令分配到各個(gè)操縱面。本發(fā)明的基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，首先得到角加速度指令，根據(jù)角加速度指令以及無(wú)人機(jī)的當(dāng)前角加速度信息(可通過(guò)安裝于無(wú)人機(jī)上的角加速度傳感器測(cè)得)得到カ矩增量誤差，通過(guò)常用的控制分配方法對(duì)該カ矩增量誤差進(jìn)行分配，從而得到各個(gè)操縱面的偏轉(zhuǎn)角度，具體包括如下步驟步驟一通過(guò)無(wú)人機(jī)上的角速度傳感器測(cè)得當(dāng)前的無(wú)人機(jī)角速度，根據(jù)期望的角速度指令，得到無(wú)人機(jī)的期望角加速度。步驟ニ 通過(guò)無(wú)人機(jī)上的角加速度傳感器測(cè)得當(dāng)前的無(wú)人機(jī)角加速度，并與無(wú)人機(jī)的期望角加速度相減，再與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣相乘，得到無(wú)人機(jī)的カ矩增量誤差。步驟三采用控制分配方法對(duì)カ矩増量誤差進(jìn)行分配，得到不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制増量。步驟四將當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制增量與存儲(chǔ)的前一時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入相加，得到不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸入。步驟五將不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸入分別接入相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而得到不同操縱面的偏轉(zhuǎn)角度。步驟六在后續(xù)的飛行控制過(guò)程中，不斷重復(fù)前述五個(gè)步驟，從而實(shí)時(shí)得到無(wú)人機(jī)不同操縱面的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角。
步驟四得到的不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入，以及步驟五或者步驟六中得到的無(wú)人機(jī)操縱面偏轉(zhuǎn)角(由相應(yīng)的位置傳感器獲取)，均通過(guò)測(cè)控鏈路下傳顯示，供操控人員監(jiān)控參考。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明提供的方法利用了無(wú)人機(jī)角加速度傳感器得到角加速度反饋信息，從而構(gòu)成了閉環(huán)控制分配結(jié)構(gòu)，在操縱面正常工作和發(fā)生故障時(shí)，均能達(dá)到較好的控制分配效果；(2)本發(fā)明提供的方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。


圖I是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的方法流程圖。圖中
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，原理結(jié)構(gòu)如圖I所示，期望的角加速度計(jì)算模塊根據(jù)角速度傳感器測(cè)量到的無(wú)人機(jī)角速度信息和角速度指令信息得到期望的角加速度指令，并與角加速度傳感器測(cè)量到的無(wú)人機(jī)角加速度信息相減以得到角加速度誤差，該誤差與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣相乘得到カ矩增量誤差，通過(guò)控制分配模塊對(duì)該カ矩増量誤差進(jìn)行分配得到當(dāng)前時(shí)刻的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制増量，接著將當(dāng)前時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制増量和存儲(chǔ)的前一時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量相加即得到當(dāng)前時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量，該控制量一方面經(jīng)過(guò)延遲環(huán)節(jié)Z-I轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)為前一時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量以備下ー時(shí)刻的計(jì)算使用，另ー方面經(jīng)過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊得到作用于無(wú)人機(jī)上的各個(gè)操縱面偏轉(zhuǎn)角度，流程如圖2所示，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一通過(guò)無(wú)人機(jī)上的角速度傳感器測(cè)得當(dāng)前的無(wú)人機(jī)角速度，根據(jù)期望的角速度指令，得到無(wú)人機(jī)的期望角加速度。設(shè)無(wú)人機(jī)上如圖I中所示的角速度傳感器測(cè)得的角速度為[P，q，r]T，其中，P表示滾轉(zhuǎn)角速度，q表示俯仰角速度，!■表示偏航角速度，期望的角速度指令為[P。，q。，r。]τ，其中，P。表示滾轉(zhuǎn)角速度指令，qc表示俯仰角速度指令，rc表示偏航角速度指令，則無(wú)人機(jī)的期望角加速度為
權(quán)利要求
1.一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，其特征在于，具體包括以下幾個(gè)步驟 步驟一通過(guò)無(wú)人機(jī)上的角速度傳感器測(cè)得當(dāng)前的無(wú)人機(jī)角速度，根據(jù)期望的角速度指令，得到無(wú)人機(jī)的期望角加速度； 角速度傳感器測(cè)得的角速度為[P，q, r]T，其中，P表示滾轉(zhuǎn)角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度，期望的角速度指令為[P。，q。，r Jt，其中，p。表示滾轉(zhuǎn)角速度指令，q。表示俯仰角速度指令，rc表示偏航角速度指令，則無(wú)人機(jī)的期望角加速度為 Pd ωρ 0 0 Pc~P Gd = 0 0}q 0 Λ」[O O WrJL rc -r _ 式中，ωρ，《^和為滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航通道的頻帶或增益，&表示期望的滾轉(zhuǎn)角加速度，6表示期望的俯仰角加速度Λ表示期望的偏航角加速度； 步驟二 通過(guò)無(wú)人機(jī)上的角加速度傳感器測(cè)得當(dāng)前的無(wú)人機(jī)角加速度丨#，么<，其中，表示當(dāng)前的滾轉(zhuǎn)角加速度，纟表示當(dāng)前的俯仰角加速度4表示當(dāng)前的偏航角加速度，并與無(wú)人機(jī)的期望角加速度相減，再與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣J。相乘，得到無(wú)人機(jī)的力矩增量誤差A(yù)Me，即期望力矩增量與實(shí)際力矩增量之差 [P1,-P" _rd~r _ 式中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣J。為 'Λ/Γ O JxJF Je= O IjJv O U/r JJT_ 式中，Jx表示繞機(jī)體軸X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jy表示繞機(jī)體軸I軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jz表示繞機(jī)體軸Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jxz為慣性積，Γ = 4 ； 步驟三采用控制分配方法對(duì)力矩增量誤差△ Me進(jìn)行分配，得到不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)k時(shí)刻的控制增量Uv (k)； 步驟四將當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制增量Uv (k)與存儲(chǔ)的前一時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸Auv(k-i)相加，得到當(dāng)前時(shí)刻不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸入u(k)；U(k) = U(k-1)+Uv(k) 式中，U(k) = [U1GO, "WGO]'m表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量，UiGOi = 1，…，m表示第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)k時(shí)刻的控制輸入； 步驟五將不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制輸入U(xiǎn)(k)分別接入相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而得到不同操縱面的偏轉(zhuǎn)角度D (k)； 設(shè)有m個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型為 [i ... ο I s+ K1D(k)= \ ...U(k)O...丄_S+K,n_式中，Ki表示第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻帶特性，i = l, s表示Laplace算符， D(k) = [ δ j (k),…，δ m(k)]T, m表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量，δ j(k) i = I,…，m表示第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)k時(shí)刻的輸出，即第i個(gè)操縱面在k時(shí)刻的偏轉(zhuǎn)角度； 步驟六在后續(xù)的飛行控制過(guò)程中，不斷重復(fù)前述五個(gè)步驟，從而實(shí)時(shí)得到無(wú)人機(jī)不同操縱面的偏轉(zhuǎn)角角度D (k)； 將得到的不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入U(xiǎn)(k)，以及不同操縱面的偏轉(zhuǎn)角角度D(k)，均通過(guò)測(cè)控鏈路下傳顯示，供操控人員監(jiān)控參考。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，其特征在于，所述的步驟三中，當(dāng)控制分配方法采用廣義逆控制分配法時(shí)，具體為 設(shè)無(wú)人機(jī)在某一平衡狀態(tài)下的控制效率矩陣為B，采用廣義逆控制分配方法，得到不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)k時(shí)刻的控制增量Uv (k)為Uv (k) = Bt(BBt)-1AM6 式中，= [ 丨⑷，···，<*⑷]表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量,《丨⑷i = I,…，m表示第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)k時(shí)刻的控制增量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，其特征在于，所述的步驟三中，當(dāng)控制分配方法采用鏈?zhǔn)竭f增分配法時(shí)，具體為 將控制量分為若干組，為了簡(jiǎn)便分為兩組，第一組中包含的控制量在任何時(shí)間都可以使用；另一組中的控制量只有在前一組控制量達(dá)不到所需力矩時(shí)才起作用，即控制效率矩陣B和不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制增量Uv(k)為 帥丨為]’ uv(k)= 其中,W P)表示第一組控制量，K P)表示第二組控制量，B1和B2為控制效率矩陣B的子矩陣，B1表示與第一組控制量對(duì)應(yīng)的控制效率子矩陣，B2表示與第二組控制量對(duì)應(yīng)的控制效率子矩陣； 當(dāng)W (*)沒(méi)有飽和時(shí)，Uv (k)為 c/,w=P,r(^rl^/； 當(dāng)0⑷飽和時(shí)，設(shè)該飽和值為，Uv (k)為 t/m-[咖-_ A )(AMe-B1UlikX^O
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，其特征在于，所述的步驟三中，當(dāng)控制分配方法采用線性規(guī)劃分配法時(shí)，具體為 將控制分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下約束優(yōu)化問(wèn)題； 跑(六/#)) < s.t. BUv (k) = Mie Lr < Uv (k)< U+ 式中況⑷二卜丨⑷,…,^*)]7^= [C1,…，cm]'Ci表示第i個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制增量4⑷在目標(biāo)函數(shù)中所占的比重，i = 1，···，!!!，B為控制效率矩陣，U—和U+分別表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制增量的上下限約束；在滿足上式所示的等式約束和不等式約束的條 件下，求解使得線性目標(biāo)函數(shù)取最小值的Uv (k)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于角加速度傳感器的多操縱面無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制分配方法，可應(yīng)用于具有冗余多操縱面無(wú)人機(jī)的飛行控制。通過(guò)無(wú)人機(jī)角速度指令和測(cè)量到的角速度信息得到期望角加速度指令，通過(guò)角加速度傳感器獲得無(wú)人機(jī)的角加速度，得到期望力矩增量與實(shí)際力矩增量的誤差，實(shí)時(shí)地對(duì)該力矩增量誤差進(jìn)行控制分配解算，得到各個(gè)操縱面的偏轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明提供的方法利用了無(wú)人機(jī)角加速度傳感器得到角加速度反饋信息，從而構(gòu)成了閉環(huán)控制分配結(jié)構(gòu)，在操縱面正常工作和發(fā)生故障時(shí)，均能達(dá)到較好的控制分配效果，并且計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便。
文檔編號(hào)G01P15/08GK102736631SQ201210191778
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者樊國(guó)瑋, 王宏倫, 蓋文東 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)