新型滑模控制器,可优化无人机悬停时的稳定性

   电子分析员        

倾斜式三旋翼无人机有三种飞行模式:悬停模式、过渡模式和固定翼模式。悬停模式下的控制器设计是实现这类无人机稳定飞行的前提。由于倾斜三旋翼无人机特殊的单旋翼结构和强非线性,其建模和控制一直是一个活跃的研究课题。为了克服这些问题,实现稳定飞行控制,本文提出了一种基于滑模的倾斜三旋翼无人机悬停飞行非线性控制方案,包括位置控制、姿态控制和控制分配。首先,利用牛顿-欧拉公式建立了无人机的数学模型。其次,提出了一种基于滑模控制的由位置控制器和姿态控制器组成的串级飞行控制器。对于位置控制器,在SMC方法中引入由双曲正切函数组成的辅助动态系统来约束推力输出量和参考姿态。此外,还在姿态控制器中加入了扰动观测器,以减轻抖振,提高鲁棒性。此外,根据倾斜三旋翼无人机的结构特点,提出了一种控制分配算法,将串级飞行控制器计算的虚拟控制量映射到实际执行器。通过仿真验证了该控制方案对外界干扰和参数变化的鲁棒性,并与其他两种控制方案进行了性能比较。最后,研究人员通过实验验证了所提控制方案的有效性。


相关论文以题为“A Nonlinear Robust Sliding Mode Controller with Auxiliary Dynamic System for the Hovering Flight of a Tilt Tri-Rotor UAV”于北京时间2020年09月19号发表在《Applied Sciences》上。


新型滑模控制器,可优化无人机悬停时的稳定性


倾转旋翼无人机(TRUAV)可以垂直起飞和降落,并且具有持久耐用的优势,由于其潜在的应用,引起了感兴趣的军事和民政方面的极大兴趣。根据旋翼数,倾斜旋翼无人机可以分为两种类型:Dual-TRUAV和Multi-TRUAV 。Engle眼无人机具有两个安装在翼尖上的倾斜转子,是Dual-TRUAV的代表性和首次实际应用。采用相同的配置,韩国航空宇宙研究院(KARI)和大韩航空(KA)已经开发出一个名为智能无人机。Smart UAV的飞行测试已经完成,但是到目前为止,这种类型的UAV尚未在实践中应用。Dual-TRUAV的缺点是倾斜机构复杂,旋翼和机翼之间存在严重干扰,这意味着其设计,制造和飞行控制都面临着巨大的技术挑战和高成本。鉴于此,许多国家已经开始探索和研究Multi-TRUAV,它为倾斜旋翼无人机的开发和应用提供了新的解决方案,例如,以色列飞机工业公司的Panther ,伊斯坦布尔大学的TURAC 等。


基于以上分析,本文旨在为具有约束输入的倾斜三旋翼无人机设计一种滑模控制和辅助动力学(SMC-AD)相结合的控制方案。控制系统采用了由位置环和姿态环组成的串级控制策略。在位置环中,与实际的输入约束问题一样,设计了带辅助动态系统的SMC控制器。在姿态控制回路中,采用SMC方法来实现稳定的控制性能,并采用扰动观测器来缓解系统的抖振以及参数摄动和未知外部干扰对系统的影响。此外,控制分配将执行器的输入映射到设计的串级控制器的输出,通过将其转化为约束优化问题来完成。其主要贡献如下:


(1)针对一种倾斜三旋翼无人机,研究人员提出了一种由位置回路中带辅助动态观测器的滑模控制和姿态回路中带干扰观测器的滑模控制的非线性滑模控制方案。该方法是解决具有约束输入的倾斜三旋翼无人机飞行控制问题的早期应用。同时,控制方案也考虑了非线性、参数摄动和其他未知的外部干扰。从数学上证明了整个系统的稳定性,并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。


(2)针对倾斜三旋翼无人机虚拟控制量与实际执行器数量不一致的问题,提出了一种基于优化算法的控制分配方法,以获得较高的控制精度。


倾斜三旋翼无人机


拟议的倾斜三旋翼无人机如图1所示。倾斜式三旋翼无人机采用常规的双尾布置,有6个执行机构,包括3个转子和3个倾斜舵机。旋翼与主要结构部件连接,使飞机结构牢固。通过倾斜转向装置,将三个转子的∘从30∘变为- 90∘,以实现在hover模式和固定机翼模式之间的转变。在悬停模式下,后旋翼垂直放置在尾支上,以提供向上的张力,用于调整飞机的飞行姿态。右转子和后转子逆时针旋转,而左转子顺时针旋转。横摇运动是通过左右两个转子之间的推力差来实现的。后转子可以补偿两个前转子产生的力矩来稳定俯仰,偏航力矩是由两个前转子的倾斜角差产生的。


新型滑模控制器,可优化无人机悬停时的稳定性


图1.倾斜式三旋翼无人机示意图。


非线性运动


在这一部分中,研究人员着重推导了倾斜三旋翼无人机的六自由度非线性数学模型。假设无人机为刚体,可以根据牛顿-欧拉公式推导出动力学模型。倾斜三旋翼无人机坐标系示意图如图2所示。OeXeYeZe为世界框架,ObXbYbZb为车身框架,OrXrYrZr为转子框架。需要注意的是,右旋翼、左旋翼、后旋翼分别用1、2、3标记。利用矩阵Rbri完成从转子框架到车身框架的变换,如下:


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其中,挠度i表示转子i的倾斜角度,并将其定义为- 90∘(如果UAV处于悬停模式)。


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图2.倾斜三旋翼无人机坐标系。


飞行控制器设计


倾斜三旋翼无人机是一种具有独特结构的新型飞行器,其控制问题具有挑战性。所提出的飞行控制系统框图如图3所示。飞行控制系统由级联控制器和控制分配器两部分组成。串级控制器生成位置和姿态控制的虚拟控制量。外环用于位置控制,和内环处理倾斜三旋翼无人机的姿态控制。控制分配器将虚拟控制命令映射到单个执行器,用于解决虚拟控制量与实际执行器数量不匹配的问题。


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图3.飞行控制系统框图。


结论


针对倾斜三旋翼无人机在悬停模式下的稳定飞行控制问题,研究人员提出了一种基于辅助动力学的非线性鲁棒滑模控制方法。在此基础上,设计了由位置控制和姿态控制组成的串级控制器。为了提高系统的位置控制性能,提出了利用辅助动力系统的SMC积分来提供合理的推力约束和参考姿态约束。在姿态控制中采用了SMC和干扰观测器以获得较强的鲁棒性和抗干扰能力。将该控制方案与PID控制和SMC-RBFNN方法进行了比较,仿真结果表明,该控制方案取得了较好的控制效果。实验也验证了整个控制方案的有效性。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/18/6551/htm



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