一种陆空机动平台全地形起降控制方法及系统

1.本发明涉及陆空机动平台技术领域，具体涉及一种陆空机动平台全地形起降控制方法及系统。

背景技术：

2.无人飞行器近年来得到了广泛的应用，尤其与车辆相结合后的飞行汽车更是成为了行业与科研机构关注的热点。为了进一步提高飞行器或飞行汽车的实用性，人们对于飞行器的工作环境提出了更高的要求，希望其能够适用各种复杂地形，在不同情况的路面上完成稳定的起飞和降落。
3.针对飞行器或飞行汽车在起伏路面、崎岖山地等复杂地形起降的问题，目前行业内常见的方案是搭载具备主动调节能力的起落架或类似的起降系统。在起飞降落时，起落架或升降系统通过传感器获取飞行器当前姿态，通过伺服机构驱动将飞行器的姿态调节至水平，之后再进行起飞或降落动作。专利《201710837646.9-新型飞行器及飞行器系统》、《201520818620.6-全地形直升机起落架》均提供了该类型起落架或起降系统的设计方案，具备主动调整能力起落架示意图如图1所示。
4.上述设计方案的缺点如下：
5.1、具备主动调节能力的起落架或起降系统设计复杂，会降低飞行器或飞行汽车的可靠性。
6.2、上述方案为了保证良好的姿态调整速度需要配备性能良好的执行机构，使用成本高昂。
7.3、当处于飞行工况时，额外增加的调整结构对于飞行器或飞行汽车来讲是无效质量，并且占用了其有效载荷空间。

技术实现要素：

8.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种陆空机动平台全地形起降控制方法及系统解决上述问题。
9.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.s1、将陆空机动平台等效为状态空间模型；所述陆空机动平台为飞行器或飞行汽车；
11.s2、在状态空间模型的基础上设计系统状态观测器，并引入状态估计误差反馈提高系统状态观测器的精度；
12.s3、在系统状态观测器的基础上，得出系统不确定性估计的更新律；
13.s4、基于系统状态观测器和系统不确定性估计的更新律得到控制律；
14.s5、通过系统状态观测器、不确定性估计的更新律以及控制律实现陆空机动平台的全地形起降控制。
15.进一步地：所述步骤s1中状态空间模型具体为：
[0016][0017]
上式中，x
sr
(t)∈rn为可测量的系统状态矩阵，u
sr
(t)∈r为控制输入，y
sr
(t)∈r为系统输出，σ
sr
(t)∈r为时域系统不确定性，am为系统矩阵，b为输入矩阵，x0为初始状态。
[0018]
进一步地：所述步骤s2中系统状态观测器具体为：
[0019][0020]
上式中，为状态误差，为状态误差反馈调节律，k
p
》0，kd》0分别为相应pd控制器整定参数，为初始状态估计。
[0021]
进一步地：所述步骤s3中系统不确定性估计的更新律为：
[0022][0023]
上式中，λ∈r
+
为自适应调节增益，proj为投影算子，α、β为中间参数，r＝r
t
》0为lyapunov代数方程s＝s
t
》0的解，其中，s为任意实单位阵；
[0024]
进一步地：所述中间参数α、β的计算公式为：
[0025][0026]
上式中，m为参考系统增益。
[0027]
进一步地：所述步骤s4中控制律具体为：
[0028][0029]
上式中，u
sr
(s)为全地形起降控制输入，c
sr
(s)为一阶低通滤波器，r(s)为参考输入，为系统不确定性估计。
[0030]
进一步地：所述一阶低通滤波器c
sr
(s)的dc增益为1。
[0031]
进一步地：所述步骤s5的具体步骤为：
[0032]
s51、通过主动调节状态观测器在状态估计误差反馈的pid的整定下快速实现对当前陆空机动平台姿态的估计；
[0033]
s52、系统不确定性估计的更新律将状态估计器的结果与设计的参考系统进行比较，将两者之间的差异作为系统不确定性进行更新；
[0034]
s53、通过控制律在系统不确定性估计值的基础上进行控制增益的主动调整，并生
成控制信号驱动陆空机动平台的动力部件；
[0035]
s54、通过对陆空机动平台的主动调节，完成在复杂地形环境下的稳定起降。
[0036]
一种陆空机动平台全地形起降控制系统，包括参考系统、pid主动调节状态观测器、系统不确定性更新律以及可重构控制器；
[0037]
所述参考系统用于将陆空机动平台等效为状态空间模型；
[0038]
所述pid主动调节状态观测器用于根据状态空间模型实现起飞与降落时初始状态的估计；
[0039]
所述系统不确定性更新律根据起飞与降落时初始状态的估计得到；
[0040]
所述可重构控制器用于在不确定性更新律的基础上进行控制增益的主动调整，并生成控制信号驱动陆空机动平台的动力部件。
[0041]
一种陆空机动平台，所述陆空机动平台为飞行器，所述飞行器包括飞行模块、舱体和起落架；或者所述陆空机动平台为飞行汽车，所述飞行汽车包括飞行模块、舱体和底盘；所述飞行模块包括陆空机动平台全地形起降控制系统。
[0042]
本发明的有益效果为：
[0043]
1、本发明没有增加具备主动调节能力的复杂设计，提高了飞行器或飞行汽车的鲁棒性，能够提升其起降或飞行过程当中的稳定性。
[0044]
2、本发明无需配备额外执行机构，没有额外的使用成本增加。
[0045]
3、本发明无需增加任何额外机械机构或系统，没有增加无效质量，保证了良好的载荷能力。
附图说明
[0046]
图1为背景技术中具备主动调整能力起落架示意图；
[0047]
图2为本发明控制示意图。
具体实施方式
[0048]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0049]
本发明所提出的全地形起降控制系统由四个部分构成，分别为：基于飞行器或飞行汽车特性设计的参考系统、基于状态估计误差反馈的pid(或比例控制器、pd控制器)主动调节状态观测器、系统不确定性更新律，以及基于系统不确定性估计的可重构控制器。本发明不仅适用于需要经常起飞和落地，频繁进行陆空切换的飞行汽车，也适用于普通垂直起降的飞行器，用于全地形起降控制。
[0050]
如图2所示，一种陆空机动平台全地形起降控制方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、将陆空机动平台等效为状态空间模型；所述陆空机动平台为飞行器或飞行汽车；
[0052][0053]
上式中，x
sr
(t)∈rn为可测量的系统状态矩阵，u
sr
(t)∈r为控制输入，y
sr
(t)∈r为系统输出，σ
sr
(t)∈r为时域系统不确定性，am为系统矩阵，b为输入矩阵，x0为初始状态。
[0054]
s2、在状态空间模型的基础上设计系统状态观测器，并引入状态估计误差反馈提高系统状态观测器的精度；
[0055]
所述步骤s2中系统状态观测器具体为：
[0056][0057]
上式中，为状态误差，为状态误差反馈调节律，k
p
》0，kd》0分别为相应pd控制器整定参数，为初始状态估计。
[0058]
s3、在系统状态观测器的基础上，给出系统不确定性估计的更新律；
[0059]
系统不确定性估计的更新律为：
[0060][0061]
上式中，λ∈r
+
为自适应调节增益，proj为投影算子，α、β为中间参数，r＝r
t
》0为lyapunov代数方程s＝s
t
》0的解，其中，s为任意实单位阵；
[0062]
α、β为中间参数，其计算公式为：
[0063][0064]
上式中，m为参考系统增益。
[0065]
s4、基于系统状态观测器和系统不确定性估计的更新律得到控制律；
[0066]
控制律具体为：
[0067][0068]
上式中，u
sr
(s)为全地形起降控制输入，c
sr
(s)为一阶低通滤波器，r(s)为参考输入，为系统不确定性估计。
[0069]
至此，可以得到适用于起伏复杂路面稳定起降的无人飞行器、飞行汽车控制结构：
[0070][0071]
s5、通过系统状态观测器、不确定性估计的更新律以及控制律实现飞行器或飞行汽车的全地形起降控制。
[0072]
当飞行器或飞行汽车准备起飞或降落时，控制系统开始工作。首先，主动调节状态观测器在状态估计误差反馈的pid的整定下快速实现对当前飞行器姿态的估计；之后，系统不确定性更新律将状态估计器的结果与设计的参考系统进行比较，将两者之间的差异作为系统不确定性进行更新；控制律在系统不确定性估计值的基础上进行控制增益的主动调整，并生成控制信号驱动飞行器或飞行汽车的动力部件(如点击、舵机等)，最终通过飞行器或飞行汽车的主动调节，完成在复杂地形环境下的稳定起降。
[0073]
一种陆空机动平台全地形起降控制系统，包括参考系统、pid主动调节状态观测器、系统不确定性更新律以及可重构控制器；
[0074]
所述参考系统用于将飞行器或飞行汽车等效为状态空间模型；
[0075]
所述pid主动调节状态观测器用于根据状态空间模型实现起飞与降落时初始状态的估计；
[0076]
所述系统不确定性更新律根据起飞与降落时初始状态的估计得到；
[0077]
所述可重构控制器用于在不确定性更新律的基础上进行控制增益的主动调整，并生成控制信号驱动飞行器或飞行汽车的动力部件。
[0078]
一种陆空机动平台，所述陆空机动平台为飞行器，所述飞行器包括飞行模块、舱体和起落架；或者所述陆空机动平台为飞行汽车，所述飞行汽车包括飞行模块、舱体和底盘；所述飞行模块包括陆空机动平台全地形起降控制系统控制系统。
[0079]
本发明无需增加任何额外机械机构或系统，没有额外的成本增加，同时保证了飞行器或飞行汽车良好的载荷能力。
[0080]
本发明增加了飞行器或飞行汽车的鲁棒性，能够提升其起降或飞行过程当中的稳定性。

技术特征：

1.一种陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将陆空机动平台等效为状态空间模型；所述陆空机动平台为飞行器或飞行汽车；s2、在状态空间模型的基础上设计系统状态观测器，并引入状态估计误差反馈提高系统状态观测器的精度；s3、在系统状态观测器的基础上，得出系统不确定性估计的更新律；s4、基于系统状态观测器和系统不确定性估计的更新律得到控制律；s5、通过系统状态观测器、不确定性估计的更新律以及控制律实现陆空机动平台的全地形起降控制。2.根据权利要求1所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述步骤s1中状态空间模型具体为：上式中，x
sr
(t)∈r
n
为可测量的系统状态矩阵，u
sr
(t)∈r为控制输入，y
sr
(t)∈r为系统输出，σ
sr
(t)∈r为时域系统不确定性，a
m
为系统矩阵，b为输入矩阵，x0为初始状态。3.根据权利要求2所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述步骤s2中系统状态观测器具体为：上式中，上式中，为状态误差，为状态误差，为状态误差反馈调节律，k
p
>0，k
d
>0分别为相应pd控制器整定参数，为初始状态估计。4.根据权利要求3所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述步骤s3中系统不确定性估计的更新律为：上式中，λ∈r
+
为自适应调节增益，proj为投影算子，α、β为中间参数，r＝r
t
>0为lyapunov代数方程s＝s
t
>0的解，其中，s为任意实单位阵。5.根据权利要求4所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述中间参数α、β的计算公式为：
上式中，m为参考系统增益。6.根据权利要求4所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述步骤s4中控制律具体为：上式中，u
sr
(s)为全地形起降控制输入，c
sr
(s)为一阶低通滤波器，r(s)为参考输入，为系统不确定性估计。7.根据权利要求6所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述一阶低通滤波器c
sr
(s)的dc增益为1。8.根据权利要求1所述的陆空机动平台全地形起降控制方法，其特征在于，所述步骤s5的具体步骤为：s51、通过主动调节状态观测器在状态估计误差反馈的pid的整定下快速实现对当前陆空机动平台姿态的估计；s52、系统不确定性估计的更新律将状态估计器的结果与设计的参考系统进行比较，将两者之间的差异作为系统不确定性进行更新；s53、通过控制律在系统不确定性估计值的基础上进行控制增益的主动调整，并生成控制信号驱动陆空机动平台的动力部件；s54、通过对陆空机动平台的主动调节，完成在复杂地形环境下的稳定起降。9.一种陆空机动平台全地形起降控制系统，其特征在于，包括参考系统、pid主动调节状态观测器、系统不确定性更新律以及可重构控制器；所述参考系统用于将陆空机动平台等效为状态空间模型；所述pid主动调节状态观测器用于根据状态空间模型实现起飞与降落时初始状态的估计；所述系统不确定性更新律根据起飞与降落时初始状态的估计得到；所述可重构控制器用于在不确定性更新律的基础上进行控制增益的主动调整，并生成控制信号驱动陆空机动平台的动力部件。10.一种陆空机动平台，其特征在于，所述陆空机动平台为飞行器，所述飞行器包括飞行模块、舱体和起落架；或者所述陆空机动平台为飞行汽车，所述飞行汽车包括飞行模块、舱体和底盘；所述飞行模块包括如权利要求9所述的控制系统。

技术总结

本发明公开了一种陆空机动平台全地形起降控制方法及系统，包括以下步骤：S1、将陆空机动平台等效为状态空间模型；所述陆空机动平台为飞行器或飞行汽车；S2、引入状态估计误差反馈，在状态空间模型的基础上设计系统状态观测器；S3、在系统状态观测器的基础上，给出系统不确定性估计的更新律；S4、基于系统状态观测器和系统不确定性估计的更新律得到控制律；S5、通过系统状态观测器、不确定性估计的更新律以及控制律实现陆空机动平台的起降控制。本发明无需增加任何额外机械机构或系统，没有额外的成本增加，同时保证了飞行器或飞行汽车良好的载荷能力。本发明增加了飞行器或飞行汽车的鲁棒性，能够提升其起降或飞行过程当中的稳定性。性。性。