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专利号: 2024105867577
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,包括定义不同的坐标系,对平流层飞艇在不同的坐标系中进行受力分析,通过坐标变换建立非线性的飞艇六自由度运动学方程和动力学方程,定义期望轨迹指令,通过飞艇六自由度运动学方程和动力学方程推导飞艇的轨迹跟踪误差模型和六自由度螺旋桨推力与力矩,得到控制输入 ;

设计非奇异快速终端滑模控制律为:

; ; ; ;

; ; ; ; ;

式中, 为飞艇的质量矩阵, 为对角阵, 为 的导数, 和 为中间矩阵,为中间函数,为非奇异快速终端滑模面, 为轨迹误差, 为速度误差,为RBF神经网络对总的扰动 的估计, 、 、 、 、 、 、 为正数, 、 、 、 均为奇数,sgn为符号函数, 为 的导数, 是期望速度指令, 为 的导数,为合力, 为的导数;

针对参数不确定项以及外部扰动,采用RBF神经网络进行逼近,将RBF神经网络与非奇异快速终端滑模控制律相结合,将参数不确定项及外部扰动的估计值以前馈的形式补偿到控制器中。

2.根据权利要求1所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,中间矩阵为:;

式中, ,, 分别为飞艇的滚转角、俯仰角和偏航角。

3.根据权利要求2所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,飞艇六自由度运动学方程为:; ; ; ; ;

式中, 是 的导数, 是 的导数,是坐标 的矩阵, 是飞艇的滚转角、俯仰角和偏航角三个角度的矩阵,是速度矢量在各个轴的分量的矩阵, 是飞艇的三个角速度的矩阵,x,y,z分别为飞艇的轴向、侧向和竖直方向上的位移,u,v,w分别为速度矢量在各个轴的分量,p,q,r分别为飞艇的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度。

4.根据权利要求3所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,飞艇六自由度动力学方程为:;

式中,为 的导数, 为 的导数, 为飞艇所受惯性力, 为飞艇所受重力浮力的合力, 为飞艇所受空气动力, 代表参数不确定项, 代表外部扰动。

5.根据权利要求4所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,改写飞艇六自由度动力学方程为:; ; ; ;

式中,是 的导数,为位移和角度的联合矩阵, 是 的导数, 为速度矢量和速度的联合矩阵,为 、 、 的合力。

6.根据权利要求5所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,定义期望轨迹指令包括, 是期望轨迹指令:; ; ;

式中, 是期望速度矢量命令, 是期望速度命令, 是期望位移命令, 是期望角度命令, 是 的导数, 是 的导数, 是期望角度命令下的 , 是期望角度命令下的 ;

期望的加速度指令为:

; ; ; ;

式中, 是 的导数, 是 的导数, 是中间矩阵, 、 、 是三个期望角速度, 是 的导数, 、 是期望滚转角和期望俯仰角, 是 的导数, 是 的导数, 是 的导数, 是 的导数, 是 的导数。

7.根据权利要求6所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,轨迹跟踪误差模型为:; ; ; ;

式中, 是位移和角度的联合矩阵与期望轨迹指令的差, 是 的导数, 是速度矢量和速度的联合矩阵与期望速度指令的差, 是 的导数,改写轨迹跟踪误差模型为:; ; ; ;

式中, 为 的导数。

8.根据权利要求7所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,在矢量推力平面上内,对由螺旋桨产生的力 进行正交分解,得水平方向的力 和垂直方向的力 为:;

式中, 为每个螺旋桨旋转角度,平流层飞艇有 个可调向的矢量推力螺旋桨,,范围是 ,推导6维螺旋桨推力和力矩,控制输入 为:; ; ;

式中, 是控制输入在六个自由度的分量, 为力矩阵,为系数矩阵, 为飞艇螺旋桨位置到机体体积中心的距离。

9.根据权利要求8所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,非奇异快速终端滑模面为:;

非奇异快速终端滑模面的趋近律 为:

10.根据权利要求9所述的一种平流层飞艇固定时间轨迹跟踪控制方法,其特征在于,RBF神经网络为:;

式中,为网络的输入,也是速度信号和角速度信号矩阵, 为网络隐含层高斯基函数中心点的坐标矢量, 为网络隐含层高斯基函数的宽度, 为网络高斯基函数的输出;

将RBF神经网络与非奇异快速终端滑模控制律相结合,设计神经网络自适应律为:; ; ; ;

式中, 为网络的理想权值, 为网络权值估计误差, 为网络权值估计值, 为 的导数, 和 为正数, 为网络高斯基函数的输出的转置。