一种基于虚拟力的无人机路径跟踪控制方法

      提出一种基于虚拟力的无人机路径跟踪控制方法。通过设计虚拟向心力、虚拟弹簧力和虚拟阻力计算期望的转向速率。其中虚拟向心力可以补偿参考路径曲率,虚拟弹簧力使无人机收敛到参考路径上,虚拟阻力能够在收敛过程中防止震荡的产生。该方法不仅可以跟踪直线和圆形路径,还可以精确跟踪变曲率曲线。在跟踪直线时,该方法等价于比例―微分控制;跟踪圆形或变曲率曲线时,等价于反馈线性化方法。论文分析了该方法的稳定性和收敛性,考虑了输入约束对该方法跟踪性能的影响。

       利用虚拟力控制无人机,使控制参数具有明确的物理意义,从而使参数在实际应用中容易整定。仿真结果证明该方法是有效的,且跟踪性能优于NLGL(非线性导航逻辑)方法。针对自主空中加油输油阶段无人机位置保持控制问题,将无人机分为飞机本体和油箱两部分,利用变质量系统理论建立了无人机非线性方程,解决了常规模型无法反映出无人机重量、重心变化的问题。控制律设计方面,通过将变化的油箱转化为外界干扰,提出了基于干扰观测器控制(disturbance observer based control, DOBC)的复合控制结构。

       复合控制器由位置保持控制器和干扰观测器组成,位置保持控制器采用带积分的线性二次型方法,干扰观测器由比例积分观测器和补偿单元构成,并证明了复合控制器的稳定性。仿真结果表明,将该控制器应用于某型高空无人机非线性模型,可有效减小输油过程带来的影响,实现了输油阶段的位置保持控制。


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