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基于自抗扰方法的无人机控制律设计

左玲 张翔伦 李志宇 秦玮 侯琳 杨森

左玲,张翔伦,李志宇,等. 基于自抗扰方法的无人机控制律设计[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(5):1512-1522 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0488
引用本文: 左玲,张翔伦,李志宇,等. 基于自抗扰方法的无人机控制律设计[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(5):1512-1522 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0488
ZUO L,ZHANG X L,LI Z Y,et al. UAV control law design method based on active-disturbance rejection control[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(5):1512-1522 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0488
Citation: ZUO L,ZHANG X L,LI Z Y,et al. UAV control law design method based on active-disturbance rejection control[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(5):1512-1522 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0488

基于自抗扰方法的无人机控制律设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0488
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:zuoling0@hotmail.com

  • 中图分类号: V249.122+.1;V249.122+.2;V249.122+.3;V249.122+.4

UAV control law design method based on active-disturbance rejection control

More Information
  • 摘要:

    针对多平台、多任务的无人机飞行控制律的快速开发问题,提出一种基于自抗扰方法的无人机控制律架构,设计了可复用的扩展状态观测器及微分跟踪器,研究对比了其在3种具有较大差异的无人机平台中的应用,使7000 kg的超音速UAV_A获得了更优的敏捷性结果,在60 kg的缩比UAV_B完成了5.8g的半滚倒转大过载机动飞行试验,基于10 kg的平直翼UAV_C实现了12架机紧编队的精确轨迹控制飞行试验。仿真及试飞结果表明:所提自抗扰控制结构响应快速、控制精度高、鲁棒性强,能够较好地适应多类无人机、面向多种任务场景的控制需求,且不需调参就能够获得较好的控制效果,为飞行控制算法设计提供了新的技术途径。

     

  • 图 1  ADRC结构

    Figure 1.  ADRC structure

    图 2  飞行平台外形示意图

    Figure 2.  Flight platform configuration

    图 3  无人机的自动飞行控制律结构

    Figure 3.  Automatic flight control law structure of UAV

    图 4  俯仰角速率控制回路的控制律结构

    Figure 4.  Pitch rate control loop control law structure

    图 5  俯仰角速率观测器1结构

    Figure 5.  Structure of pitch rate observer 1

    图 6  俯仰角速率观测器2结构

    Figure 6.  Structure of pitch rate observer 2

    图 7  俯仰角速率观测器3结构

    Figure 7.  Structure of pitch rate observer 3

    图 8  3种观测器观测值比较

    Figure 8.  Outputs comparison of three observers

    图 9  4种反馈输入下俯仰角速率响应(38 m/s)

    Figure 9.  Pitch-rate responses under 4 different feedback inputs (38 m/s)

    图 10  4种反馈输入下俯仰角速率响应(70 m/s)

    Figure 10.  Pitch-rate responses under 4 different feedback inputs (70 m/s)

    图 11  一种TD结构

    Figure 11.  A TD structure

    图 12  NLSEF控制律结构

    Figure 12.  NLSEF control law structure

    图 13  不同ad下俯仰角速率响应

    Figure 13.  Pitch-rate responses under different parameters a and d

    图 14  UAV_A的俯仰角速率控制响应对比(a=1, d=0.02)

    Figure 14.  Pitch rate responses comparison of UAV_A (a=1, d=0.02)

    图 15  UAV_B的俯仰角速率控制响应对比(a=0.3, d=10)

    Figure 15.  Pitch rate responses comparison of UAV_B (a=0.3, d=10)

    图 16  UAV_C的俯仰角速率控制响应对比(a=0.3, d=15)

    Figure 16.  Pitch rate responses comparison of UAV_C (a=0.3, d=15)

    图 17  横向指向裕度敏捷性评价曲线

    Figure 17.  Lateral pointing margin agility assessment

    图 18  筋斗机动仿真

    Figure 18.  Somersault maneuvering simulation

    图 19  UAV_B半滚倒转机动飞行状态曲线

    Figure 19.  Split S maneuver flight state of UAV_B

    图 20  UAV_B半滚倒转机动飞行轨迹曲线

    Figure 20.  Split S maneuver flight path of UAV_B

    图 21  12架UAV_C编队飞行试飞曲线

    Figure 21.  Formation flight test of 12 UAV_C

    表  1  3种无人机飞行状态

    Table  1.   Flight state of 3 UAVs

    高度/m 速度/(m˖s−1)
    UAV_A UAV_B UAV_C UAV_A UAV_B UAV_C
    3000 1000 500 262 38 18
    5000 1000 500 416 55 25
    14000 1000 500 237 70 32
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    表  2  最小速度筋斗半径

    Table  2.   Somersault radius under minimum velocity

    高度/ m 马赫数 UAV_A半径/m 目标机半径/m
    2000 0.4 305 473
    5000 0.5 335 469
    8000 0.7 548
    8000 0.8 663 894
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-13
  • 录用日期:  2023-02-24
  • 网络出版日期:  2023-03-29
  • 整期出版日期:  2024-05-29

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