基于系绳张力和末端执行器的绳系飞行器协调控制方法
文献发布时间：2023-06-19 18:37:28
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种绳系飞行器协调控制方法。
背景技术
软式自主空中加油系统、拖曳式诱饵系统、绳系拖曳靶标系统在航空领域广泛应用，它们都可以抽象为一个大的主飞行器通过系绳拖曳着无前进动力的小型飞行器，这类系统被统称为绳系飞行器系统。在执行任务期间，绳系飞行器系统往往需要在复杂多变的气流扰动下，以及不违反位置约束的前提下，精确地跟踪期望轨迹。
系绳的柔性和弹性给绳系飞行器系统带来了极大的耦合非线性，并且系统所处的气流环境复杂多变，这些系统本身所具有的特性难题以及任务所要求的位置约束问题，都对控制器的设计造成了极大的困难。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于系绳张力和末端执行器的绳系飞行器协调控制方法，针对绳系飞行器系统的耦合非线性、未知干扰和位置约束情况下的精确跟踪控制问题，建立了绳系飞行器动力学模型，然后利用固定时间扩张状态观测器估计了未知的系绳张力和外界未知气流扰动，最后利用障碍Lyapunov方法和动态面法设计了绳系飞行器的协调控制方法。本发明能够使绳系飞行器在不违反位置约束的前提下精确地跟踪期望轨迹。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：绳系飞行器动力学模型建立；
绳系飞行器动力学方程式为：
式中，x
步骤2：固定时间扩张观测器设计；
由式(1)知，C
式中，
步骤3：控制器设计；
采用如下坐标变换：
式中，x
引入一阶低通滤波器：
式中，λ
定义滤波误差为：
e
根据式(5)和(6)知：
式中，
步骤3-1：根据式(1)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
式中，z
对式(9)求导，并代入式(7)和(8)得：
式中，
根据式(10)可选取虚拟控制律为：
式中，k
步骤3-2：根据式(1)、(2)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
对式(13)求导，并代入式(7)和(12)得：
根据式(14)选取虚拟控制律为：
式中，k
步骤3-3：根据式(1)、(4)和(6)可知：
式中，
设计Lyapunov函数为：
对式(17)求导，并代入式(7)和(16)得：
根据式(18)选取虚拟控制律为：
式中，k
步骤3-4：根据式(1)、(3)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
对式(21)求导，并代入式(20)得：
选取实际控制律为：
式中，k
本发明的有益效果如下：
1、本发明和标准反步法的坐标变换方式不同，本发明将系统耦合非线性整体作为虚拟控制项，充分利用了模型信息；
2、本发明和传统扩张观测器不同，本发明利用固定时间扩张状态观测器估计集总干扰，解决了传统扩张观测器收敛速度慢的难题；
3、针对绳系飞行器系统的位置约束难题，本发明结合障碍Lyapunov方法和动态面法设计协调控制器，保证了绳系飞行器在满足位置约束前提下的精确跟踪。
附图说明
图1本发明绳系飞行器系统示意图。
图2本发明实施例气流扰动图示。
图3本发明实施例绳系飞行器跟踪轨迹图。
附图说明：1-主飞行器，2-系绳，3-绳系飞行器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明考虑到系统的耦合非线性、未知干扰和位置约束问题，提出了一种基于固定时间扩张状态观测器的协调控制方法，保证了绳系飞行器在不违反位置约束的前提下精确地跟踪期望轨迹。
如图1所示，一种基于系绳张力和末端执行器的绳系飞行器协调控制方法，包括如下步骤：
1、力学模型建立
绳系飞行器动力学方程式为：
式中，x
2、定时间扩张观测器设计
由式(1)可知，C
式中，
3、控制器设计
与标准反推法不同，本发明采用以下坐标变换：
式中，x
为了解决反步法中存在的“微分爆炸”问题，引入一阶低通滤波器：
式中，λ
定义滤波误差为：
e
根据式(5)和(6)可知：
式中，
第一步：根据式(1)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
式中，z
对式(9)求导，并代入式(7)和(8)得：
式中，
根据式(10)可选取虚拟控制律为：
式中，k
第二步：根据式(1)、(2)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
对式(13)求导，并代入式(7)和(12)得：
根据式(14)可选取虚拟控制律为：
式中，k
第三步：根据式(1)、(4)和(6)可知：
式中，
设计Lyapunov函数为：
对式(17)求导，并代入式(7)和(16)得：
根据式(18)选取虚拟控制律为：
式中，k
第四步：根据式(1)、(3)、(4)和(6)可知：
设计Lyapunov函数为：
对式(21)求导，并代入式(20)得：
选取实际控制律为：
式中，k
如图2所示，为气流扰动图示，纵坐标v
如图3所示，为绳系飞行器跟踪轨迹图，纵坐标l、β