一种自适应滑模控制算法在四旋翼无人飞行器中的应用

四旋翼无人飞行器具有非线性、多变量、强耦合和不确定性等特点,通过以四旋翼无人飞行器为被控对象,建立了存在参数不确定性和未知干扰的飞行器姿态的动力学模型。利用跟踪误差状态设置滑模面,构造了包含滑模面和未知参数的李雅普诺夫函数,并设计了控制律。对设计的控制律进行仿真,结果表明了该方法的有效性。     

超机动飞机动态逆-PID控制器设计

对超机动飞机在大迎角机动下的控制律进行设计,并完成相关仿真验证.通过引入推力矢量技术,建立带推力矢量的飞机非线性数学模型;采用奇异摄动理论,将飞机状态划分为快慢变换不同的同路,分别应用动态逆设计飞行控制律;并采用PID控制补偿由于未精确建模带来的系统逆误差;最后对所设计的控制律进行了机动指令飞行仿真.仿真结果表明,设计的控制律能在大迎角机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,并保证闭环系统的稳定性.     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

直接力与推力矢量复合伺服控制技术研究

随着飞行器控制技术的发展,直接力、推力矢量等控制执行技术在飞行器控制领域得到广泛应用。直接力与推力矢量都具有对飞行器姿态控制效率高,精度好等优良特点。直接力在调姿过程中,系统动态过程平稳,但对于大姿态偏差情况下,直接控制的系统调整时间较长；推力矢量控制在面对大姿态偏差情况下,系统调整时间较短,但系统动态过程平稳性较差。本文结合直接力与推力矢量控制特点,设计了直接力与推力矢量复合控制策略。以某飞行器为研究对象,建立了飞行器的动力学与运动学模型以及直接力与推力矢量模型,提出了直接力/矢量推力复合控制技术的分配策略。经仿真验证表明,复合控制方法及控制分配策略使控制系统具有较快的响应速度和控制精度。     

短距起飞垂直降落飞行器飞行品质研究

根据短距起飞垂直降落(STOVL)飞行器的特点,研究了STOVL飞行器在飞行品质方面的特殊要求。在总结AGARD 577和MIL-F-83300飞行品质规范的基础上,分析了STOVL飞行器在过渡和悬停状态下对俯仰、滚转、偏航的控制效能要求,以及阻尼比和频率要求。计算了某STOVL无人飞行器在过渡状态下的部分性能和飞行品质,分析了其纵横向稳定性,并根据飞行品质要求提出了一些建议。     

具有碰撞角约束的三维圆轨迹制导律

 针对再入飞行器带碰撞角约束的导引问题,设计了一种新型三维(3D)制导律。改进并扩展了圆轨迹导引算法,定义了2个圆轨迹跟踪误差变量。通过对导引任务的分析,提出闭环修正导引方法。在此基础上,对再入飞行器制导过程的动力学方程进行解析推导,设计出能适应再入飞行器速度大小变化的三维闭环圆轨迹制导律(3CCGL)。数学仿真结果表明:此制导律能导引再入飞行器沿终端约束方向精确命中目标;同已有算法相比,该制导算法优势明显,其导引的飞行路径短,终端碰撞速度大,并能实现大角度转向攻击,大幅提高再入飞行器的末段机动能力。     

具有全向推力矢量的六旋翼无人机设计与建模

针对常规旋翼飞行器飞行速度小和加速飞行时不能保持机体水平姿态等问题,提出了一种具有全向推力矢量的六旋翼无人机设计方案;分析了推力矢量六旋翼在可倾转旋翼结构倾转不同角度时的飞行模式;建立了推力矢量六旋翼的动力学模型,并针对动力学模型设计了PID控制器;最后对动力学模型进行数值仿真验证.结果表明,所设计的推力矢量六旋翼能够悬停,且可以在定速飞行中保持飞行器的水平姿态.     

过失速大机动飞机的飞行控制律设计

对新一代带推力矢量的战斗机在大迎角过失速机动下的飞行控制律进行设计,并进行了机动指令飞行仿真。引进推力矢量技术,建立带推力矢量的飞机模型方程;采用奇异摄动理论,将控制回路分为两个快慢(内外)回路,对每个回路分别用动态逆方法进行飞行控制律设计;并采用结构奇异值μ综合和分析的方法对快(内)回路设计了鲁棒控制器;最后所设计的控制律进行了机动指令飞行仿真,仿真结果表明设计的过失速机动控制律良好。     

倾转旋翼机过渡飞行阶段控制律设计研究

过渡段飞行控制技术是倾转旋翼机飞行控制系统的关键技术。本文在倾转旋翼机过渡静力平衡特性和力矩配平特性分析基础上,对倾转旋翼机过渡段基准飞行轨迹及短舱转角规律进行了设计。然后利用推力矢量技术,采用拉力矢量/空气舵组合操纵方法,对倾转旋翼机过渡飞行段控制律进行了设计与仿真研究。     

基于锥形运动的制导火箭速度控制导引律设计

针对制导火箭落点速度的约束要求,提出了一种采用锥形运动控制导弹飞行速度的导引方法。该方法首先设计了满足速度约束的虚拟目标理想运动轨迹,将导弹减速控制问题转化为对虚拟目标的追踪导引问题,通过建立制导火箭与虚拟目标的相对运动模型,分析了弹目相对位置和相对速度的关系,推导了具有速度控制的导引律一般形式,并采用动态逆控制理论设计了锥形运动控制指令和导引参数。通过数字仿真对比了不同落角约束条件下导弹锥形运动的速度控制效果,结果表明该方法设计的导引律能够满足制导火箭速度约束要求,且制导精度高、控制效果好,为导弹锥形运动速度控制技术提供了参考。     

无人机空中加油自主会合的制导与控制

针对无人机空中加油的自主会合问题,进行了相应制导律和非线性控制器的设计。通过改进的带角度约束的三维比例制导律实现对航向角的控制,以协调转弯的方式将航迹角指令转化为姿态角指令。基于无人机六自由度的动力学模型,针对无人机的姿态控制,采用时标分离的方法设计了慢子系统和快子系统,并对这两个子系统分别进行动态逆控制设计。同时,基于滑模控制的方法设计了满足自主会合要求的速度控制律。在保证无人机飞行稳定的基础上,实现了对控制和制导指令的精确跟踪。仿真结果表明,所设计的制导律和控制律能够实现无人机空中加油的自主会合,具有良好的动态特性。     

无人机综合飞行/推力矢量控制

以某无人机为背景,主要研究大机动时带推力矢量的综合飞行/推进控制系统的设计方法。应用非线性动态逆方法,根据无人机本身具有明显不同时间尺度差异的动力学特性,结合奇异摄动理论将控制变量按照响应快慢分为4个回路进行了控制器的设计与仿真;设计推力矢量控制和气动控制相结合的控制器,实现飞行和推力矢量的控制综合;将无人机的任务转化为对飞行控制的限制条件,对所设计的控制系统进行了数字仿真,结果表明所设计的控制器能够满足飞机做大机动时的控制要求。     

倾转三旋翼无人机纵向推力矢量控制研究

针对倾转三旋翼无人机纵向姿态控制问题开展研究,结合倾转三旋翼无人机构型的特殊性,提出了一种基于推力矢量控制的纵向姿态控制策略,同时基于新型的推力矢量控制方法设计了更高效的倾转三旋翼无人机操纵机制;采用牛顿-欧拉法对倾转三旋翼无人机进行动力学建模分析,通过对机翼采取分段分析的方法,设计了旋翼/机翼下洗载荷模型,并进行了仿真和实地飞行试验。试验结果表明,所提出的纵向姿态控制策略,能有效提高无人机飞行效率,具有更强的速度响应能力,提高了飞行过程中的可靠性和安全性。     

六旋翼无人机的飞行力学建模研究

为开展六旋翼无人机的全机飞行力学建模研究,针对六旋翼无人机的前飞和非定常飞行要求,引入了动量叶素理论和动态人流理论对旋翼气动力进行分析.根据无人机的变转速控制方式,增加了旋翼转速变化对机身运动的影响项,推导了使六旋翼总需用功率最小的拉力分配优化方法,建立了六旋翼无人机的飞行力学模型.气动力计算结果表明,新建立的旋翼气动力计算方法精度高于现有的比例系数法.     

基于改进RRT算法的无人机航路规划与跟踪方法研究

为了使航路规划算法在三维动态环境下能够快速规划出较优可行航路,基于快速扩展随机树算法(RRT),对规划航路点进行了无人机飞行动力学约束,并且设计了局部航路动态优化策略。针对传统的航路跟踪控制律跟踪较为曲折的航线时跟踪误差较大的问题,通过将规划算法得出的姿态指令引入姿态控制回路的方式,提高了航路跟踪控制算法的快速性与准确性。在此基础上,搭建了无人机验证平台,利用该验证平台完成了无人机自主避障飞行试验,对算法的有效性进行了验证,并对算法性能进行了评估。     

空天飞行器整体式救生座舱的稳定减速与分离特性数值模拟

整体式密闭救生座舱方案将座椅与驾驶舱进行整体设计，弹射后具有独立的气动型面，在包含亚声速、跨声速、超声速甚至高超声速等非常宽广的速度范围可以更好地保护飞行员免受高速气流的吹袭，是空天飞行器救生系统设计的重要途径之一。针对整体式救生座舱，首先开展基本静态气动性能数值模拟评估；之后采用一种刚性减速伞增稳方案（整体式座舱+减速伞）对其稳定性和减速效率进行改进；最后采用动态重叠网格方法，对整体式座舱+减速伞构型的近机弹射轨迹特性开展动态数值模拟计算，从而获得该构型在抛投过程中的稳定性和安全性。研究结果表明，单独整体式救生座舱难以具备静稳定性；减速伞方案可大幅改善座舱的稳定性能，使座舱在Ma=0.3~4.0范围内均具有静、动态稳定性，并呈现亚声速时随马赫数升高而增强、超声速时随马赫数升高而减弱的变化规律，且高马赫数（Ma=4.0）工况可通过降低飞行高度以增加动压的方式进一步提升座舱的动稳定性；在宽速域范围内，整体式座舱+减速伞构型经过弹射力和火箭推力的辅助作用，能够实现与机体的安全分离，并且分离后其俯仰振荡姿态均具有收敛特性。     

基于角加速度估计的非线性增量动态逆控制及试飞

针对非线性增量动态逆（INDI）控制方法运用到飞行试验时需要进行状态量导数（角加速度）的实时估计并且存在延迟等问题进行了研究,并给出了工程应用上的实际解决方案。对试飞无人机（UAV）平台进行了动力学建模,利用非线性增量动态逆控制方法和控制器分层设计方法设计了无人机姿态控制系统。采用卡尔曼滤波器设计了角加速度估计器为控制律提供角加速度实时反馈。通过基于模型的控制系统设计方法将控制律实现,并进行实际试飞试验。结果表明：该控制方法工程上可实现,具备良好的鲁棒性和指令跟踪能力。     

无人机机动轨迹跟踪系统设计

对无人机机动飞行轨迹跟踪系统的内环姿态控制律和外环轨迹跟踪控制律两部分分别进行了设计。利用非线性动态逆方法设计了内环姿态控制律。外环轨迹跟踪控制律采用逆动力学前馈加模糊反馈的控制结构,提高系统对飞行条件及期望轨迹剧烈变化时的跟踪精度。仿真结果表明,所设计的系统能够控制无人机精确跟踪指定的机动轨迹,且相对于固定增益系统具有更好的鲁棒性。     

Integrated method of guidance,control and morphing for hypersonic morphing vehicle in glide phase

The morphing technology of hypersonic vehicle improved the flight performance by changing aerodynamic characteristics with shape deformations, but the design of guidance and control system with morphing laws remained to be explored. An Integrated of Guidance, Control and Morphing (IGCM) method for Hypersonic Morphing Vehicle (HMV) was developed in this paper. The IGCM method contributed to an effective solution of morphing characteristic to improve flight performance and reject the disturbance for guidance and control system caused by the morphing system for HMV in gliding phase. The IGCM models were established based on the motion models and aerodynamic models of the variable span vehicle. Then the IGCM method was designed by adaptive block dynamic surface back-stepping method with stability proof. The parallel controlled simulations’ results showed the effectiveness in accomplishing the flight mission of IGCM method in glide phase with smaller terminal errors. The velocity loss of HMV was reduced by 32.8% which inferred less flight time and larger terminal flight velocity than invariable span vehicle. Under the condition of large deviations of aerodynamic parameters and atmospheric density, the robustness of IGCM method with variable span was verified.     

面向智能空战的它机协同试飞验证方法

为验证无人机自主协同算法在空战环境下的适用性，提出了一种高等效的它机协同试飞验证方法。根据算法功能实现的需求，以成熟的民用固定翼无人机平台为基础进行改装，搭建它机试飞平台，对真实空战环境开展模拟和等效设计。以四机协同编队算法为例，在试飞平台上移植算法程序，开展相关科目试飞验证。当需要验证不同控制算法时，无需针对它机试飞平台开发控制策略，只需修改控制算法即可。试验结果表明：编队综合误差较小，算法能够实现无人机编队的稳定控制；同时，它机协同试飞验证方法因其迭代速度快、安全稳定性高、成本低等特点，可用作中间阶段算法的前置试飞手段，为算法的开发迭代提供有效验证。