本发明涉及一种无人机高度控制方法，特别是一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法。
背景技术：
1、姿态传感器为无人机飞行控制系统提供必要的反馈控制信号，姿态传感器在飞行控制律中扮演着至关重要的作用，如果在飞行阶段姿态传感器出现了故障，基于错误反馈信号计算的控制律，轻则导致飞行任务失败，重则会导致坠机的事故。现有技术中大多采用多余度技术冗余传感器来提高控制系统的可靠性，但这也增加系统的复杂性和成本。
2、以微小型无人机为代表的低成本小型化无人机是无人机发展应用的重要方向，近几年的迅猛发展，已经深入各个领域，具有体积小、使用灵活、成本低等优点，经济性是其中一项重要的指标，无人机系统设计时基本采用低成本、简化的传感器配置，这就对于无人机系统的安全性和可靠性提出了更高的要求，需要工作实际中设计一种低成本控制方案，确保无人机在姿态传感器故障情况下仍然能够安全飞行。
技术实现思路
1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法。
2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，包括以下步骤：
3、步骤1，建立无人机纵向动力学模型；
4、步骤2，设计降级高度控制方法；
5、步骤3，建立纵向状态监测模块实时获取无人机的纵向状态；
6、步骤4，根据步骤3中获取得到的纵向状态，实时判断陀螺传感器是否工作正常，若判断为陀螺传感器正常，则使用常规高度控制方法进行飞行控制，并重复执行步骤4，否则执行步骤5；
7、步骤5，使用步骤2所述的降级高度控制方法代替常规高度控制方法，进行飞行控制，并将陀螺传感器信号移除；
8、步骤6，完成无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制。
9、进一步的，步骤1中所述的建立无人机纵向动力学模型，具体包括：
10、步骤1-1，建立无人机定常水平飞行的通用非线性模型，并获取无人机线性状态空间方程，具体表达式如下：
11、
12、其中，v为来流速度，α为迎角，q为俯仰角速率，为俯仰角，h为高度，δe为升降舵偏，δv、δα、δq、δθ、δh和δδe为上述状态量的小扰动增量，和为上述状态量的小扰动增量微分；xv、xα、zv、zα、zq、mv、mα、mq和为无量纲气动大导数，具体表达式如下所示：
13、
14、
15、
16、
17、
18、
19、
20、
21、
22、
23、
24、其中，m为无人机重量，g为重力加速度，ca为平均气动弦长，iy为俯仰轴转动惯量，q为动压，sw为无人机参考面积，cd为当前状态配平阻力系数，cl为当前状态配平升力系数，cm为当前状态配平俯仰力矩系数，为阻力系数相对速度导数，为升力系数相对速度导数，为俯仰力矩系数相对速度导数，为阻力系数相对迎角导数，为升力系数相对迎角导数，为俯仰力矩系数相对迎角导数，为升力系数相对俯仰角速率导数，为俯仰阻尼动导数，为阻力系数相对升降舵偏系数，为升力系数相对升降舵偏系数，为俯仰力矩系数相对升降舵偏系数；
25、步骤1-2，建立高度回路状态量开环传递函数。
26、进一步的，步骤1-2中所述的高度回路状态量开环传递函数，包括：俯仰角传递函数f1(s)和高度传递函数f2(s)。
27、进一步的，步骤1-2中所述的建立高度回路状态量开环传递函数，具体包括：
28、步骤1-2-1，计算俯仰角传递函数f1(s)，具体如下：
29、根据步骤1-1中所述的无人机线性状态空间方程，得到俯仰角传递函数f1(s)如下：
30、
31、
32、其中，s是复频率；
33、步骤1-2-2，计算高度传递函数f2(s)，具体如下：
34、
35、
36、进一步的，步骤2中所述的降级高度控制方法，具体包括：
37、步骤2-1，分析无人机系统的根轨迹和稳定裕度，基于h无穷回路整形控制方法设计降级高度控制方法；
38、步骤2-2，采用低阶等效拟配的方法将高阶控制器降阶。
39、进一步的，步骤2-1中所述的基于h无穷回路整形控制方法设计降级高度控制方法，具体包括：
40、步骤2-1-1，设计仅基于高度反馈的h无穷回路整形控制方法结构，控制器目标设定为外干扰到系统状态量传递函数h∞范数最小；所述的仅基于高度反馈的h无穷回路整形控制方法结构，具体如下：
41、计算输入r和测量输出y获得被控系统误差e，送入控制器k(s)获得控制器输出u，用于控制被控对象g(s)，获得测量输出y，被控系统误差e经过第一权重函数w1(s)得到可控输出z1，即频域定义下的跟踪性能和抗扰性能，控制器输出u经过第二权重函数w2(s)得到频域定义下的控制器输出性能z2，测量输出y经过第三权重函数w3(s)得到频域定义下的噪声抑制z3；
42、步骤2-1-2，将被控系统误差e、控制器输出u和测量输出y、以及三个权重函数，定义为广义被控对象；
43、步骤2-1-3，求解控制器k(s)。
44、进一步的，步骤2-2中所述的采用低阶等效拟配的方法将高阶控制器降阶，具体包括：
45、步骤2-2-1，设计代价函数j，如下：
46、
47、其中，ghos(i)和glos(i)分别为高阶系统频点幅值和低阶系统频点幅值，φhos(i)和φlos(i)分别为高阶系统频点相位和低阶系统频点相位，w为拟配加权值；
48、步骤2-2-2，以上述代价函数j为优化目标，在拟配频段中设定频段n个频点进行拟合，设定降阶后4阶控制器k′(s)结构格式；
49、步骤2-2-3，选取实际工作频段范围频点，获取各个频点下高阶系统的幅频和相频数据，代入上述的代价函数j，选取等效降阶阶数，进行系统识别，完成频域拟合识别计算，确认四阶控制器传递函数的各个四阶传递函数系数。
50、进一步的，步骤2-2-2中所述的降阶后4阶控制器k′(s)结构格式，具体如下：
51、
52、其中，k0、k1、k2、k3、k4、u0、u1、u2、u3和u4为四阶传递函数系数。
53、进一步的，步骤3中所述的无人机的纵向状态，具体包括：
54、无人机的垂速状态量和俯仰角状态量。
55、进一步的，步骤4中所述的判断陀螺传感器是否工作正常，具体包括：
56、当无人机的俯仰角＞10°且垂速＜-5m/s时，判断陀螺传感器发生故障。
57、有益效果：
58、本发明的方法，采用h无穷回路整形的控制算法，配合采用一种高阶控制器低阶等效拟配的方法，确保系统特征根维持在左半平面，保证无人机控制系统的稳定性，确保飞行时域响应收敛，避免无人机因为飞行控制系统不稳定而导致坠机风险。
1.一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤1中所述的建立无人机纵向动力学模型，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤1-2中所述的高度回路状态量开环传递函数，包括：俯仰角传递函数f1(s)和高度传递函数f2(s)。
4.根据权利要求3所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤1-2中所述的建立高度回路状态量开环传递函数，具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤2中所述的降级高度控制方法，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤2-1中所述的基于h无穷回路整形控制方法设计降级高度控制方法，具体包括：
7.根据权利要求6所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤2-2中所述的采用低阶等效拟配的方法将高阶控制器降阶，具体包括：
8.根据权利要求7所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤2-2-2中所述的降阶后4阶控制器k′(s)结构格式，具体如下：
9.根据权利要求8所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤3中所述的无人机的纵向状态，具体包括：
10.根据权利要求9所述的一种无人机在陀螺故障情况下的降级高度控制方法，其特征在于，步骤4中所述的判断陀螺传感器是否工作正常，具体包括：
