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龍圖騰網(wǎng)獲悉哈爾濱工業(yè)大學(xué)人工智能研究院有限公司申請(qǐng)的專利一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法獲國家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號(hào)為：CN114815866B 。

龍圖騰網(wǎng)通過國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-05-13發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為：202210387701.X，技術(shù)領(lǐng)域涉及：G05D1/495；該發(fā)明授權(quán)一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法是由張立憲;梁野;蔡博;翁睿;朱益民;楊嘉楠設(shè)計(jì)研發(fā)完成，并于2022-04-14向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請(qǐng)。

本一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法在說明書摘要公布了：本發(fā)明公開了無人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域的一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法，利用切換系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)暫失現(xiàn)象建模，基于狀態(tài)反饋這一低算力的控制器設(shè)計(jì)思路，根據(jù)實(shí)際跟蹤誤差實(shí)時(shí)調(diào)整控制器增益以保證所建立的切換跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其增益調(diào)整計(jì)算過程在無人機(jī)機(jī)載計(jì)算單元中進(jìn)行；其中，無人機(jī)采用位置環(huán)?姿態(tài)環(huán)的雙環(huán)控制框架，建立的切換系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)是否可測(cè)分為不可測(cè)子系統(tǒng)和可測(cè)子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)暫失情況下的無人機(jī)目標(biāo)跟蹤控制，在跟蹤過程中自動(dòng)調(diào)整控制器增益從而保證跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高暫失目標(biāo)情況下的跟蹤性能。

本發(fā)明授權(quán)一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法在權(quán)利要求書中公布了：1.一種具有穩(wěn)定性保證的暫失目標(biāo)無人機(jī)切換控制方法，其特征在于，包括如下步驟：S1：初始化及跟蹤坐標(biāo)系建立；S2：目標(biāo)可測(cè)情況下無人機(jī)位置控制；所述步驟S2具體為：根據(jù)步驟S1解算得到參考信號(hào)，在跟蹤坐標(biāo)系下計(jì)算無人機(jī)當(dāng)前的跟蹤誤差，從而計(jì)算并記錄跟蹤系統(tǒng)能量；將無人機(jī)當(dāng)前的位置跟蹤誤差帶入位置環(huán)的狀態(tài)反饋控制器中，得到所需控制輸入以及姿態(tài)環(huán)的期望值，進(jìn)而獲得姿態(tài)環(huán)的控制輸入；最終，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在目標(biāo)可測(cè)情況下的位置控制，即可測(cè)子系統(tǒng)控制；其中無人機(jī)采用位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)的雙環(huán)控制方案，無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型為 其中u1～u4為控制輸入，可由無人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整實(shí)現(xiàn)；x、y、z、θ、φ、ψ分別為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的水平位置與繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角，其參考信號(hào)分別用xd、yd、zd、θd、φd、ψd表示，在控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析階段，根據(jù)小角度定理可知，狀態(tài)z、θ、φ、ψ可由u1～u4直接控制，狀態(tài)x、y則需通過改變?chǔ)取ⅵ盏拇笮∵M(jìn)行控制；采用雙環(huán)控制方案可以將無人機(jī)的控制環(huán)具體分為姿態(tài)內(nèi)環(huán)及位置外環(huán)，由外環(huán)位置誤差確定內(nèi)環(huán)姿態(tài)期望角度作為虛擬控制輸入；對(duì)于內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器，為保證其快速響應(yīng)能力，采用有限時(shí)間滑模控制方法；以姿態(tài)θ為例，設(shè)計(jì)滑模面為其中eθ＝θ-θd，α、β、p、q均是正實(shí)數(shù)且p＜q，滑模面關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可以計(jì)算為 根據(jù)滑模條件可設(shè)計(jì)等價(jià)控制器為 結(jié)合滑模控制中常用的趨近律，最終設(shè)計(jì)的基于有限時(shí)間滑模控制方法的姿態(tài)控制器為u2＝uθ,eq-Ksgnsθ4其中K為正實(shí)數(shù)，姿態(tài)控制器u3、u4的設(shè)計(jì)與u2相同；在位置控制方面，利用比例-微分控制進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，具體為：首先設(shè)計(jì)高度控制器為其中：kvz、kpz為正實(shí)數(shù)，當(dāng)高度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)u1恒為1；至此，無人機(jī)的4個(gè)控制輸入設(shè)計(jì)完畢，對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)x和y，利用比例-微分控制思路設(shè)計(jì)虛擬控制輸入 其中kvx，kpx，kvy，kpy均為正實(shí)數(shù)，從而通過無人機(jī)姿態(tài)的調(diào)整間接實(shí)現(xiàn)其位置控制；S3：目標(biāo)不可測(cè)情況下的增益確定；所述步驟S3具體為：根據(jù)步驟S2所記錄的目標(biāo)可測(cè)子系統(tǒng)能量初值，以保證相鄰目標(biāo)不可測(cè)子系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)系統(tǒng)能量小于當(dāng)前可測(cè)子系統(tǒng)能量初值為目標(biāo)，即保證每個(gè)切換階段的穩(wěn)定性，進(jìn)行不可測(cè)子系統(tǒng)的控制器增益計(jì)算，選取能夠保證無人機(jī)具有較大加速度的控制器增益記錄備用；判斷可測(cè)子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是否超過給定的最小可測(cè)時(shí)間，一旦未達(dá)到給定的最小可測(cè)時(shí)間，視為無人機(jī)追蹤過程中目標(biāo)可測(cè)情況極差，需要人為介入控制；當(dāng)目標(biāo)不可測(cè)時(shí)，將利用預(yù)測(cè)器對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的目標(biāo)位置獲得預(yù)測(cè)的參考信號(hào)，記為此時(shí)，式5將轉(zhuǎn)化為 定義系統(tǒng)誤差為ex-xd[x-xdvx-vxdy-ydvy-vyd]T，根據(jù)5、6可以基于切換系統(tǒng)框架建立無人機(jī)在x、y方向的閉環(huán)控制系統(tǒng)為 其中A、A′分別由5、6中的控制器增益構(gòu)成，M由預(yù)測(cè)誤差與控制器增益組成，是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，構(gòu)造跟蹤系統(tǒng)能量函數(shù)V＝0.5eTe，將可測(cè)子系統(tǒng)與不可測(cè)子系統(tǒng)的能量函數(shù)分別用Vt，V′t表示，有確定M的上界，則獲得誤差系數(shù)δ使得eTM≤δ||e||，那么跟蹤系統(tǒng)能量函數(shù)滿足如下不等式 其中，λ、λ′分別為系統(tǒng)矩陣A、A′的最大特征值；根據(jù)切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，定義一個(gè)相鄰的可測(cè)子系統(tǒng)和不可測(cè)子系統(tǒng)為一個(gè)切換階段，求解令切換跟蹤系統(tǒng)在一個(gè)切換階段內(nèi)能量下降的條件為 可知，當(dāng)控制器增益滿足9時(shí)，在當(dāng)前切換階段系統(tǒng)是能量下降的；其中，切換階段能量初值V0由步驟S2確定，可以看出，對(duì)于任意的λ、λ′，隨著切換階段的不斷推進(jìn)，切換階段初值將等于終值；那么，切換系統(tǒng)將是最終有界的，其最終界可由下式確定 顯然，只要切換階段能量初值大于系統(tǒng)最終界，那么切換系統(tǒng)在當(dāng)前切換階段的收斂就可以得到保證，即令 可以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程的收斂；注意，此處也可令等式右邊乘以一個(gè)衰減系數(shù)，使得收斂更快；在此步驟選取滿足11的最大控制器增益，可以保證在目標(biāo)相距較遠(yuǎn)時(shí)，即能量初值較大時(shí)，無人機(jī)具有較大加速度，使得其能夠快速接近目標(biāo)；S4：目標(biāo)不可測(cè)情況下位置控制；S5：跟蹤過程中的控制器增益更新；需要說明的是，上述步驟均在機(jī)載計(jì)算單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)可測(cè)情況由無人機(jī)加載的傳感器及測(cè)量算法判斷，其余所有計(jì)算均為數(shù)值運(yùn)算，保證了小計(jì)算量的無人機(jī)目標(biāo)暫失情況下的跟蹤控制。

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