无人机绕速度矢量轴滚转机动自适应滑模边界保护控制
CSTR:
作者:
作者单位:

南京航空航天大学自动化学院, 南京 211106

通讯作者:

吴庆宪,男,教授,博士生导师,E-mail: wuqingxian@nuaa.edu.cn。

中图分类号:

V249.1

基金项目:

江苏省重点研发计划(社会发展)(BE2020704)资助项目;江苏省“333高层次人才培养工程”(BRA2019051)资助项目。


Adaptive Sliding Mode Boundary Protection Control for Rolling Maneuver Around Velocity Vector Axis of UAVs
Author:
Affiliation:

College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 211106, China

  • 摘要
  • |
  • 图/表
  • |
  • 访问统计
  • |
  • 参考文献 [23]
  • |
  • 相似文献
  • | | |
  • 文章评论
    摘要:

    针对无人机绕速度矢量轴滚转机动下状态易越界的问题,研究了一种自适应滑模边界保护控制方法。首先,基于二分法思想改进可达平衡集并引入指令约束方法,进而实现在线边界解算与约束指令生成。其次,为抑制不确定性和外部未知干扰对闭环系统的不利影响,利用径向基神经网络逼近系统不确定性并设计非线性二阶干扰观测器估计复合干扰,进一步设计自适应滑模边界保护控制器以实现无人机在安全边界内的姿态跟踪。最后,通过数值仿真验证了自适应滑模边界保护控制方法的有效性。

    Abstract:

    Aiming at the problem that unmanned aerial vehicles (UAVs) are easy to overstep the boundary when rolling around the velocity vector axis, an adaptive sliding mode-based boundary protection control scheme is studied in this paper. Firstly, the attainable equilibrium set is improved based on dichotomy, and the command limitation method is introduced to realize online boundary solution and limited command generation. Then, to restrain the adverse impacts of uncertainties and disturbances to the closed-loop-system, a radial basis function (RBF) neural network is used to approximate the system uncertainties, and a nonlinear second-order disturbance observer is used to estimate the complex disturbances. Accordingly, an adaptive sliding mode-based boundary protection control law is designed to ensure the UAV’s safety and simultaneously realize the attitude tracking. Finally, the effectiveness of the adaptive sliding mode-based boundary protection control method is verified by numerical simulation.

    表 1 耗时对比Table 1 Time consumption comparison
    图1 无人机边界保护系统框图Fig.1 Block diagram of UAV boundary protection system
    图2 绕速度矢量轴滚转角速率在线边界解算与约束指令生成流程图Fig.2 Flow chart of online boundary solution and limited command generation for roll angle rate around velocity vector axis
    图3 传统可达平衡集解算结果Fig.3 Reslult of traditional attainable equilibrium set
    图4 改进可达平衡集解算结果Fig.4 Reslult of improved attainable equilibrium set
    图5 姿态角跟踪曲线Fig.5 Attitude angle tracking curves
    图6 姿态角速率跟踪曲线Fig.6 Attitude angle rate tracking curves
    图7 绕速度矢量轴姿态角速率曲线Fig.7 Attitude angle rate tracking curves around velocity vector axis
    参考文献
    [1] 车竞, 何开锋, 钱炜祺. 制空型无人机的关键技术、气动布局及特性[J]. 空气动力学学报, 2017, 35(1): 13-19.
    [2] 徐啟云, 王洁, 郝文渊, 等. 国外无人战斗机发展历程和趋势[J]. 飞航导弹, 2016, 375(3): 28-32.
    [3] 李炳乾, 董文瀚, 马小山. 基于滑模观测器的无人推力矢量飞机反步容错控制[J]. 西北工业大学学报, 2018, 36(5): 978-987.
    [4] 汤伟, 黄勇, 傅澔. 推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响[J]. 航空学报, 2018, 39(4): 88-94.
    [5] 雍可南. 歼击机过失速机动边界判定与保护控制[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2015.
    [6] 季雨璇, 朱玉莲, 文梁栋. 基于可达平衡集分析战斗机大迎角机动性能[J]. 电光与控制, 2020,27(8): 80-83.
    [7] 叶辉. 推力矢量飞机过失速机动的鲁棒控制与边界保护[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.
    [8] 于媛媛. 先进歼击机超机动危险状态边界判定与保护控制[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.
    [9] 吴大伟. 大迎角过失速机动危险状态分析与鲁棒自适应控制[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2019.
    [10] 万航, 徐胜利, 张庆振, 等. 基于动态逆的空天变体飞行器姿态控制[J]. 空天防御, 2019, 2(4): 25-31.
    [11] 于媛媛, 吴庆宪, 姜长生. 基于幂次趋近律的单向辅助面滑模控制[J]. 电光与控制, 2014, 21(4): 29-33.
    [12] 熊英, 陈谋, 吴庆宪, 等. 基于干扰观测器的变后掠翼近空间飞行器鲁棒跟踪控制[J]. 中国科学:信息科学, 2019, 49(5): 83-96.
    [13] 顾攀飞, 齐瑞云, 郭小平. 高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化设计[J]. 南京航空航天大学学报, 2018, 50(6): 763-775.
    [14] CAO T,GONG H,HAN B. Sliding mode fault tolerant attitude control scheme for spacecraft with actuator faults[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2019,36(1): 119-127.
    [15] CHEN M, SHI P, LIM C C. Adaptive neural fault-tolerant control of a 3-DOF model helicopter system[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2016, 46(2): 260-270.
    [16] ZHANG Z, WANG F, GUO Y, et al. Multivariable sliding mode backstepping controller design for quadrotor UAV based on disturbance observer[J]. Science China Information Sciences, 2018, 61(11): 155-170.
    [17] 高慧琴, 高正红. 典型过失速机动运动规律建模研究[J]. 飞行力学, 2009, 27(4): 9-13.
    [18] CHEN M, REN Y, LIU J. Antidisturbance control for a suspension cable system of helicopter subject to input nonlinearities[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2017, 48(12): 9-13.
    [19] LI F, HU J B. Dynamic surface control with nonlinear disturbance observer for uncertain flight dynamic system[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 32(4): 469-476.
    [20] CHEN M. Disturbance attenuation tracking control for wheeled mobile robots with skidding and slipping[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(4): 3359-3368.
    [21] 宫庆坤. 歼击机超机动飞行临界失控状态判定与控制[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.
    [22] 于靖, 陈谋, 姜长生. 基于干扰观测器的非线性不确定系统自适应滑模控制[J]. 控制理论与应用, 2014, 31(8): 993-999.
    [23] 李蒙蒙, 叶洪涛, 罗文广. 带饱和函数的幂次新型滑模趋近律设计与分析[J]. 计算机应用研究, 2019, 36(5): 1400-1402, 1414.
    相似文献
    引证文献
    网友评论
    网友评论
    分享到微博
    发 布
引用本文

刘晓栋,吴庆宪,陈谋,邵书义.无人机绕速度矢量轴滚转机动自适应滑模边界保护控制[J].南京航空航天大学学报,2021,53(6):918-927

复制
分享
文章指标
  • 点击次数:
  • 下载次数:
  • HTML阅读次数:
  • 引用次数:
历史
  • 收稿日期:2020-09-09
  • 最后修改日期:2021-01-11
  • 在线发布日期: 2021-12-05
文章二维码
您是第6576386位访问者
网站版权 © 南京航空航天大学学报
技术支持:北京勤云科技发展有限公司
请使用 Firefox、Chrome、IE10、IE11、360极速模式、搜狗极速模式、QQ极速模式等浏览器,其他浏览器不建议使用!