專利名稱：一種基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法，適用于工作于空中無人機器人自主控制領域。
背景技術(shù)：
小型無人旋翼機具有垂直起降、懸停等特性，可以在市區(qū)街道等狹窄空間執(zhí)行任務，具有廣泛的應用前景。隨著應用領域的擴張，小型無人旋翼機的智能化程度需求也日益增加，全自主、高智能的小型無人旋翼機成為研究的熱點。作為復雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)，小型無人旋翼機具有強耦合、非線性、控制難度高等特性。目前，小型無人旋翼機的起降主要通過人工遙控操作方式控制，在很大程度上依賴于飛控手自身的技能和熟練程度。但在實際應用中，大多數(shù)軍口和民口的使用人員并不具備專業(yè)的操控技能，需要小型無人旋翼機研發(fā)部門對使用方進行長時間培訓，從而限制了小型無人旋翼機的推廣和應用。為提高性能，PID控制方法、魯棒控制，智能控制方法等各類控制方法被用于小型無人旋翼機的自主起降控制。智能PID控制器控制無人旋翼機姿態(tài)，提高系統(tǒng)控制精度，但抗干擾能力差，而小型無人旋翼機起降階段地效干擾、風擾大，智能PID控制方法很難實現(xiàn)穩(wěn)定的自主起降功能。魯棒控制消除無人飛行器飛行時部分模型參數(shù)發(fā)生的攝動，但具有實時性、動態(tài)參數(shù)響應慢的特性。神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性自適應控制，克服無人直升機參數(shù)的不確定性、無模型性以及潛在的動態(tài)非線性，實現(xiàn)無人直升機的姿態(tài)控制，但需要大量的樣本計算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是針對小型無人旋翼機現(xiàn)有控制方法不足，提出一種基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法，解決了小型無人旋翼機自主起降控制器設計問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為本發(fā)明提出了一種基于自適應飛行手行為模型的自主起降控制方法，采集飛控手行為數(shù)據(jù)，分析小型無人旋翼機起降特性，確定行為規(guī)則，基于飛控手行為數(shù)據(jù)學習的方法，構(gòu)建飛控手行為模型，并通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡進行飛控手行為模型優(yōu)化，具體步驟如下(1)采集飛控手行為數(shù)據(jù)飛控手操控小型無人旋翼機進行起降操作，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集小型無人旋翼機起降階段的主漿總距和油門閥值的操控數(shù)據(jù)，和小型無人旋翼機相應的水平位置、高度、 速度狀態(tài)信息。(2)構(gòu)建飛控手行為模型通過學習飛控手操控行為數(shù)據(jù)和小型無人旋翼機狀態(tài)信息，利用自適應模糊控制方法構(gòu)建飛控手行為模型；該模型由輸入層、模糊層、規(guī)則層和去模糊層構(gòu)成，表示IF-THEN (條件結(jié)論)控制過程；輸入層輸出節(jié)點
權(quán)利要求
1.一種基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)采集飛控手操控小型無人旋翼機起降階段的主漿總距、油門閥值和小型無人旋翼機在起降階段的水平位置、高度、速度狀態(tài)信息；(2)構(gòu)建飛控手行為模型，通過學習飛控手操控行為數(shù)據(jù)和小型無人旋翼機狀態(tài)信息， 利用自適應模糊控制方法構(gòu)建飛控手行為模型，該模型由輸入層、模糊層、規(guī)則層和去模糊層構(gòu)成，表示條件結(jié)論IF-THEN控制過程；輸入層的輸入為高度誤差Aheight及高度誤差變化量入height,輸出為經(jīng)過歸一化處理的高度誤差和高度誤差變化量；輸入層的輸出作為模糊層的輸入，模糊層的控制器的成員函數(shù)利用高斯函數(shù)定義 Qik = exp (-(Xi-Bik) 2/(ki · b2ik))，i = 1，2，k = 1，2…N其中，Qik為對應的模糊變量的輸出，分別表示N種情況，Xi為經(jīng)過歸一化處理后的輸入值，Ak表示i輸入對應的k類高斯函數(shù)的中心值，紀表示i輸入對應的k類高斯函數(shù)的均方差值，h為徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡對i輸入的調(diào)控參數(shù)，N為輸入對應的模糊變量數(shù)目；模糊層輸出為高度誤差和高度誤差變化量對應的模糊變量；規(guī)則層的輸入為模糊層的輸出，基于最大最小MAX-MIN乘積合成方法生成相應的N2個模糊規(guī)則；在去模糊層，利用隸屬度函數(shù)加權(quán)平均判決法將規(guī)則層得出的數(shù)值轉(zhuǎn)化為直接控制對象的精確輸出，即總距舵量的控制量，并通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡對輸入和飛控手行為模型的輸入和輸出進行改進，提高飛控手行為模型對環(huán)境的適應性；(3)確定自主起降階段的行為規(guī)則，將自主起飛階段分為起始階段、離地階段、和飛行階段，起始階段通過油門和總距閥值獲得附著力，離地階段通過自適應飛控手行為模型消除外擾獲得的姿態(tài)控制，飛行階段通過常規(guī)控制方法實現(xiàn)姿態(tài)控制；自主降落階段分為飛行階段、離地階段、和降落階段，飛行階段通過常規(guī)控制方法實現(xiàn)姿態(tài)控制，離地階段通過自適應飛控手行為模型和常規(guī)控制方法實現(xiàn)的位置和姿態(tài)控制，著地階段通過飛控手行為模型實現(xiàn)位置控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法，其特征在于步驟(2)所述徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡對輸入和飛控手行為模型的輸入和輸出進行改進的方法為通過樣本數(shù)據(jù)訓練徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡來實時優(yōu)化飛控手行為模型模糊層的高斯函數(shù)均方差值和總距舵量的控制量，徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡為三層神經(jīng)網(wǎng)絡，包括輸入層，隱含層和輸出層構(gòu)成，輸入層的輸入為小型無人旋翼機離地階段懸停狀態(tài)時候的水平位置差值和速度差值；隱含層的輸入為輸入層的輸出，隱含層有Z個高斯函數(shù)構(gòu)成，經(jīng)過權(quán)值疊加作為輸出層的輸入；輸出層的輸出為用于調(diào)整高度誤差對應的高斯函數(shù)的系數(shù)Iq，用于調(diào)整高度誤差對應的高斯函數(shù)的系數(shù)1 ，和用于調(diào)整輸出總距舵量的系數(shù)k3。
全文摘要
一種基于行為模型的小型無人旋翼機自主起降控制方法，涉及飛控手行為數(shù)據(jù)學習、飛控手行為模型構(gòu)建、自主起降規(guī)則設計。首先通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集飛控手操控行為數(shù)據(jù)；其次針對小型無人旋翼機自主起降階段的工作特性，通過模糊控制方法構(gòu)建飛控手行為模型，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡進行優(yōu)化，提高飛控手行為模型性能；通過分析飛控手行為特性和小型無人旋翼機起降特性，構(gòu)建自主起降行為規(guī)則。本發(fā)明具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高、便于設計等優(yōu)點，可用于小型無人旋翼機復雜環(huán)境下的自主起降控制等。
文檔編號G05B13/04GK102289714SQ20111014748
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者張霄, 房建成, 李晶晶, 杜玉虎, 洪曄, 白浪, 盛蔚, 雷旭升 申請人:北京航空航天大學