080] 步驟十六:綜合角速率誤差信號，操縱阻尼信號138?，和操縱摩擦信號FsSgn(co)， 解算出最終操縱信號：
[0081]
[0082]即為所述方法的最終控制器輸入；
[0083] 步驟十七:計算自適應(yīng)更新律，通過合并步驟六和步驟十一的調(diào)節(jié)函數(shù)得到自適 應(yīng)更新律：
[0084]
[0085] 根據(jù)所述自適應(yīng)更新律獲取未知摩擦力參數(shù)和氣動力參數(shù)的估計值(義用于下一 控制周期控制律計算。
[0086] 本申請?zhí)峁┑幕谥噶顬V波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法，采用動態(tài)反步技術(shù)， 避免常規(guī)反步設(shè)計必要的將系統(tǒng)形式轉(zhuǎn)化為下三角形式的步驟，從而在原始系統(tǒng)狀態(tài)坐標 下完成設(shè)計，以實現(xiàn)精準地無人機前輪轉(zhuǎn)向控制。
[0087]此外，常規(guī)反步設(shè)計需要在計算虛擬控制信號時，計算虛擬控制信號的一階導數(shù)， 本發(fā)明方法通過在虛擬控制信號上使用指令濾波器進行濾波操作，利用濾波方式得到虛擬 控制的一階導數(shù)，不需要數(shù)值微分計算，減輕了計算復雜度。
[0088] 此外，本實施例的方案借助指令濾波器對幅值速率和頻寬等參數(shù)進行約束，也間 接約束了側(cè)滑角的范圍，保證系統(tǒng)在安全包絡(luò)內(nèi)運行。
【附圖說明】
[0089] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0090] 圖1是本申請的基于指令濾波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法的一個實施例的系統(tǒng) 框圖；
[0091] 圖2是可應(yīng)用本申請的基于指令濾波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法的無人機的地 面動力學示意圖；
[0092] 圖3是本申請的基于指令濾波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法中，指令濾波器的結(jié) 構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0093] 下面結(jié)合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描 述的具體實施例僅僅用于解釋相關(guān)發(fā)明，而非對該發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了 便于描述，附圖中僅示出了與有關(guān)發(fā)明相關(guān)的部分。
[0094] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本申請。
[0095] 圖1示出了本申請的基于指令濾波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法的一個實施例的 系統(tǒng)框圖。
[0096] 如圖1所示，本申請的基于指令濾波器的無人機前輪轉(zhuǎn)向控制方法包括:步驟一： 獲取無人機的側(cè)向控制數(shù)學模型用于控制律設(shè)計，采用單軌動力學模型，模型包括兩個部 分，一部分是無人機地面運動的側(cè)向動力學模型，其狀態(tài)變量是偏航率和側(cè)滑角，以描述轉(zhuǎn) 向過程中偏航和側(cè)滑變化規(guī)律；另一部分是前輪操縱系統(tǒng)的動力學模型，狀態(tài)變量是操縱 角以及操縱角速率，控制輸入是操縱轉(zhuǎn)矩，以描述無人機前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性。無人機 地面?zhèn)认騽恿W模型表示為：
[0097]
[0098]
[0099] 其中，LxN為無人機重心和前輪的距離，LxM為無人機重心和主機輪中心線的距離，r 表示偏航率，β表示無人機側(cè)滑角，V表示無人機速度，Jz表示機體垂直于地面的z軸轉(zhuǎn)動慣 量，m表不無人機質(zhì)量，P表不空氣密度，S表不機翼參考面積，b表不機翼翼展寬度，CNe、CNr、C y 為空氣動力學系數(shù)。fN(aN)和fM(aM)分別為前輪和主機輪的側(cè)向摩擦力，分別與前后輪側(cè)滑 角α Ν和αΜ呈復雜非線性關(guān)系。但當側(cè)滑角在一個較小的范圍以內(nèi)，側(cè)向摩擦力和側(cè)滑角可以 滿足如下線性關(guān)系：
[0100] fN(〇N) =Cncin
[0101] Γμ(〇μ) =Cmcim
[0102] 其中，CN和Cm分別表示前輪和主機輪的線性化側(cè)向摩擦系數(shù)。由于所述方法可以將 側(cè)滑角約束在線性變化的范圍以內(nèi)，故模型采用線性化系數(shù)。機輪側(cè)滑角和偏航率r、無人 機側(cè)滑角β以及前輪操縱角Φ存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：
[0105]前輪操縱系統(tǒng)的動力學模型可以表示為：
[0103]
[0104]
[0106]
[0107] 在這里，Js是操縱軸慣量，bs是操縱角阻尼，F(xiàn)S是庫侖摩擦力常數(shù)，τ是操縱輸入力 矩，前輪自動轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)通過控制輸入力矩τ大小最終控制無人機的地面轉(zhuǎn)向。 冷)是符號函數(shù)，定義為：
[0108]
[0109]為了統(tǒng)一建模，將操縱動力學模型轉(zhuǎn)化為二階系統(tǒng)方程：
[0110]
[0111] ^ 、，
[0112]得到系統(tǒng)總模型為：
[0117]定義如下變量：
[0119] 系統(tǒng)總模型簡化為：
[0124] 針對無人機地面滑跑過程中，氣動系數(shù)和輪胎地面?zhèn)认蚰Σ料禂?shù)不能提前準確獲 取，同時氣動力系數(shù)也會在低速下變化，合并摩擦系數(shù)和氣動力系數(shù)，定義向量C用于自適 應(yīng)參數(shù)逼近：
[0125]
[0126] 再定義相應(yīng)的參數(shù)系數(shù)向量WjPW2:
[0127]
[0128]
[0129] 尤人機地囪轉(zhuǎn)冋探縱捏制悮型P」以表不為如卜形式：
[0134]根據(jù)摩擦力和氣動力系數(shù)向量C，定義0 = [(? (? {%f (? dyT作為未知系 數(shù)C的估計矢量。此外，定義如下中間變量用于計算過程：
[0139] 到此建模過程結(jié)束，進行具體控制律設(shè)計。
[0140] 步驟二：期望偏航率計算模塊根據(jù)期望路徑計算出期望偏航率，并與偏航率傳感 器測量到的無人機偏航率信息相減，得到偏航率誤差。由于所述方法對控制設(shè)計中的狀態(tài) 變量進行濾波約束，故需要對誤差信號進行補償，以滿足穩(wěn)定性要求。在偏航率誤差的基礎(chǔ) 上，減去補償偏航率信號，得到補償偏航率誤差。期望偏航率表示為r。，傳感器測得偏航率 為r，補償偏航率信號為xi，則偏航誤差為zi = r-r。，補償偏航誤差為％ =幻一）?。
[0141] 步驟三:根據(jù)偏航率計算模塊提供的期望偏航角加速度弋和補償信號x2,計算出 一階名義控制信號
[0142] = - -?? - X2.
[0143] 其中，lu為增益系數(shù)。補償信號x#Px2將分別通過步驟五和步驟九獲取。
[0144] 步驟四：名義虛擬控制信號Q:f傳入二階指令濾波器，在濾波器內(nèi)進行限幅限速率 和二階低通濾波之后，得到虛擬控制信號W。同時濾波器生成虛擬控制信號的導數(shù)ih,無需 對^進行解析求導。二階指令濾波器如附圖3所示，其數(shù)學表達式為
[0148] 其中ζ為阻尼系數(shù)，ωΝ為二階特征頻率，SM(x)和S R(x)分別表示幅值和速率約束函 數(shù)，定義如下：
[0149]
[0150]
[0151] 通過設(shè)定M，R以及ζ，ωΝ的值，實現(xiàn)限幅、限速率和限頻寬的目的。
[0152] 步驟五:將名義虛擬控制信號Qf和經(jīng)指令濾波器濾波后的虛擬控制信號Ql相減， 再進行一階低通濾波，得到補償信號Α，用于步驟二中生成補償誤差信號：
[0153]
[0154] 其微分形式為：
[0155]
[0156] 這里lu為步驟三定義的增益系數(shù)。
[0157] 步驟六:根據(jù)補償偏航誤差為，計算摩擦系數(shù)和氣動系數(shù)向量C的一階調(diào)節(jié)函數(shù)《1， 其表達式為Q = rmii,這里Γ為5維增益矩陣，其形式為：
[0158]
[0159] 增益系數(shù) γ i>0，i = l，· · ·，5。
[0160] 步驟七:根據(jù)自適應(yīng)更新率計算得到摩擦系數(shù)和氣動系數(shù)向量的估計值C)，傳入 系統(tǒng)模型，得到偏航加速度的模型估計值！用此估計值減去虛擬控制信號^，得到偏 航角加速度誤差信號Z2,偏航角加速度誤差信號減去偏航角加速度補償信號X2,得到偏航角 加速度誤差信號為。計算公式如下：
[0161] 2:2 =砂.!.'(.7
[0162] .? 二幻一:\:2
[0163] 步驟八:根據(jù)指令濾波器提供的一階名義控制信號變化率??，以及偏航控制信號， 計算二階名義虛擬控制信號：
[0164] ? ?ι - k%z%
[0165] 其中，k2為增益系數(shù)。
[0166] 步驟九:二階名義虛擬控制信號傳入二階指令濾波器，在濾波器內(nèi)進行限幅限 速率和二階低通濾波之后，得到二階虛擬控制信號α 2以及其導數(shù)?__2。這里使用的二階指令 濾波器和步驟四中定義相同。
[0167] 步驟十:將二階名義虛擬控制信號給和經(jīng)指令濾波器濾波后的二階虛擬控制信 號^相減，再經(jīng)過一階低通濾波器濾波，得到二階補償信號x 2,所使用的一階低通濾波器和 步驟五相同。
[0168] 步驟十一:根據(jù)補償偏航角加速度誤差.?，計算摩擦系數(shù)和氣動系數(shù)向量C的調(diào)節(jié) 函數(shù)以
[0169] 〇> - 20?
[0170] 其中W2Q在步驟一中定義，Γ在步驟六中定義。
[0171]步驟十二:根據(jù)二階虛擬控制信號給α2,以及中間變量F2,計算三階誤差信號 Z3。這 里F2的表達式為：
[0172]
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