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摘要：一种场景理解下的破窗穿越方法，以解决破窗无人机在破窗过程中环境的静动态变化（玻璃破损）引起的飞行稳定性和安全性问题，确保破窗任务的正确执行。首先建立破窗任务过程中破窗无人机模型；其次设计滑模动量交互力观测器，保证交互力在固定时间内能够得到精确的估计；然后设计力位混合控制器，使得破窗无人机既能够精确施加破窗外力，同时保证高精度的轨迹跟踪；最后针对无人机在破窗过程中外部环境变化导致系统不稳定的问题，基于无源性理论，设计能量和功率约束，对玻璃破碎过程中引起无人机系统不稳定的能量进行有效管理，保证无人机飞行过程中的稳定性。本方法可用于地震灾后封闭空间救援等特种任务场景。

主权项：1.一种场景理解下的破窗穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、破窗无人机动力学建模；第二步、滑模动量交互力估计器设计；第三步、力位混合破窗控制器设计；第四步、破窗无人机安全策略设计；所述第一步具体如下：根据牛顿-拉格朗日定理，考虑接触过程中的交互外力，破窗过程中无人机的动力学模型建立为如下形式： 式中，表示无人机的位置，代表无人机的速度，是破窗无人机的总重量，表示无人机控制量，表示重力加速度矢量，表示破窗过程中接触外力；所述第二步具体如下：为了实现破窗过程中在短时间内进行精确的交互力估计，设计了滑模动量观测器，从而满足破窗过程中外力估计的需求，其中交互力观测器估计器设计为如下形式： 式中表示无人机的动量，表示无人机动量估计值，表示动量估计误差，表示估计的接触外力，表示符号函数；所述第三步具体如下：为了满足精确位置和力控制的需求，为无人机设计了位置控制器和力跟踪控制器，其中位置控制器的形式如下所示： 式中和分别为比例系数矩阵和微分系数矩阵，为位置跟踪误差，为速度跟踪误差，为位置控制器输出；跟位置控制器共同起作用的是力跟踪控制器，其具体形式如下所示： 式中和分别为比例系数和微分系数矩阵，为力跟踪误差，为期望的跟踪外力；无人机执行任务总的控制量写成如下形式： ；所述第四步具体如下：首先，分析闭环系统无源性，相对于功率端口，构建系统能量函数如下所示：式中为质量构成的对角矩阵；无源性表明，系统不会产生内部能量，即其满足如下不等式：由于无人机在飞行过程中质量不会发生改变，根据上式计算的导数，得到如下公式：利用无人机动力学模型以及设计的力位混合破窗控制器，得到系统闭环方程为：将系统闭环方程带入上式得到：式中，可以看到，上式中存在能量注入项，整个系统不满足无源性质，闭环系统在作业过程中，无法保证稳定性；为了满足系统无源性质，将系统和一个虚拟的能量罐进行连接；能量罐作为一个能量存储器，通过与系统连接存储系统能量，并对系统在破窗过程中能量进行管理；能量罐的设计形式如下所示： 式中是能量罐的状态，是功率端口的输入和输出，同时，为系统中存储的能量，通过将注入系统的能量进行补偿，将系统耗散的能量进行存储，能量存储器与闭环系统构成整个系统实现整个系统无源控制，即： 式中表明是否使能能量存储过程，用于控制能量罐中存储能量的速度；通过上式得到，能量罐的能量流动功率为：此时，能量罐和无人机系统构成的整个系统的能量表示为：系统总的功率表征为：可见，系统的总功率小于外力注入功率，只要能量罐没有完全耗尽，与外界环境进行交互时，系统的被动性就能得到保证；为了避免在实际中引起无人机不稳定的控制输出，必须为破窗任务执行分配一个有限的能量；为此，需要对能量罐设置上限和下限能量值，分别为和；为了确保任务的执行，我们设置，且能量罐最低值满足；可见，只要能量罐没有耗尽到最低点，系统的被动性和稳定性就能得到保证；因此，从能量罐的能量耗散的功率和能量最小值两方面进行约束，从而来限制能量罐中能量耗散速度，避免能量罐能量消耗到最小值，通过使用功率阀得以实现；考虑到影响无源性的控制输入，其输入功率通过调整相应的功率流动得以实现，即通过修改控制器的输入得以实现，修改后的控制器输入为：式子中为尺度因子，其值为，其中： 为最大功率值；最后，尺度因子都乘以一个通用因子，即，这样使得在时从能量罐中阻止能量获取，从而保证了系统的稳定性；综上，考虑功率和能量约束后的，无人机的控制量为：以上对控制器的输出进行调整以后，能够确保闭环系统和虚拟能量罐构成的整个系统的无源性，从而确保无人机在整个破窗过程中飞行的稳定性。

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