四旋翼无人机非奇异终端滑模位置控制器设计

针对四旋翼无人机存在模型不确定性、在野外飞行时易受外界环境干扰问题,首先采用牛顿-欧拉法进行系统建模;然后按照内外环控制结构,外环位置控制器输出姿态指令作为内环姿态控制器的输入,内环采用串级PID控制器,重点针对外环设计了一种非奇异终端滑模控制器,并基于Lyapunov理论证明了位置子系统的稳定性,得出系统误差能够在有限时间收敛到0的结论;最后,通过定点控制和轨迹跟踪仿真,表明控制器具有较快的响应速度和良好的抗干扰性能,能够快速精确地进行轨迹跟踪。     

基于无源性与势场法的四旋翼避障与位置控制

针对四旋翼无人机位置控制与障碍避让问题，提出了一种无源控制理论和人工势场法相结合的控制策略。将整个控制系统分解为外环位置控制器和内环姿态控制器两部分。在外环控制器设计中，采用级联系统的无源性理论，并通过选取适当的势场函数作为存储函数，解决定点跟踪过程中的避障问题。在内环控制器设计中，采用四元数描述姿态动力学方程，并基于Lyapunov函数设计内环控制律。在此基础上，进一步构造无源位置子系统和姿态子系统的互联结构，保证了整个闭环系统的稳定性。最后，通过仿真结果验证了所提出控制策略的有效性与控制性能。     

四旋翼无人机飞行轨迹的自主导航控制

<正>四旋翼无人机系统具有多变量、强耦合性,如果把对信号响应速度不同的各个变量混杂在一起设计控制系统会引起系统不稳定,需按时间尺度将控制变量分组进行控制系统设计。有关文献运用奇异摄动理论将固定翼飞行器系统按照各变量对输入信号响应速度不同进行分组,分别设计内环、中环以及外环控制律。传统飞行运动控制一般采用航迹速度、爬升角和倾斜角作为控制变量来控制飞行轨迹。四旋翼无人机在飞行过程中,可通过调整姿态角度来控制其质心运动,质心运     

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.     

大机动飞机的非线性鲁棒控制律设计

采用非线性不确定系统的高增益控制建设设计方法,为某型大机动飞机在特定飞行条件下设计了鲁棒控制律,以跟踪期望的输出轨迹,并在不同飞行条件下进行了系统仿真研究。仿真结果表明,采用所设计的控制律,在不同飞行条件下,飞机均可同时完成较精确的纵向和侧向机动跟踪,说明控制律具有较好的鲁棒性。     

基于线性自抗扰的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪控制过程中存在的不确定性和外部扰动,提出了一种基于线性自抗扰的轨迹跟踪控制方法。首先,基于线性自抗扰设计了四旋翼控制器,将四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统分成内外两个控制环路,外环由PD控制,内环由线性自抗扰控制;然后,进行了仿真验证与分析,并与基于补偿的PD控制方法进行对比分析;最后,开展了飞行验证。研究结果表明,线性自抗扰控制器不仅调节时间短,而且能补偿系统所受到的内、外干扰,提高系统的稳定性,较好地满足了系统性能要求,其抗干扰能力也优于基于补偿的PD控制。     

基于增量动态逆的协同轨迹控制方法研究

针对协同飞行飞机的队形保持和轨迹跟踪问题,提出一种基于增量动态逆的协同轨迹控制方法。首先按照时标分离原理,利用增量动态逆设计飞机航迹控制律;然后使用非线性制导法完成复杂轨迹跟踪控制;接着基于一致性理论,设计4架飞机的长机-僚机协同飞行轨迹控制律,长机利用L1轨迹制导跟踪期望飞行轨迹,僚机通过基于一致性协议的协同控制律进行队形变换并跟踪长机。仿真结果表明,该方案能够很好地完成协同队形变换和协同轨迹跟踪控制。     

基于Backstepping和扰动观测器的导引律

考虑目标机动和自动驾驶仪动态特性等情况,基于扰动观测器(DOB)技术及Backstepping的设计思想,提出了一种新型的三维导引律。运用Backstepping的设计思想,将包含驾驶仪动态特性的制导环路分为外环和内环两个环路。将目标机动及俯仰和偏航平面间的交叉耦合项当成外环扰动,将驾驶仪参数不确定当成内环扰动,分别设计内外扰动观测器将它们估计出来,利用估计值做前馈补偿得到的外环控制器可抑制目标机动对制导精度的影响及实现两个平面的解耦控制,内环控制器补偿驾驶仪动态特性对制导精度的影响。导引律的设计在于使得导弹的实际加速度跟踪上外环的虚拟控制。仿真结果表明:在目标做大机动、考虑驾驶仪动态特性的情况下,这种导引律仍然具有良好的制导精度。     

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。     

飞行轨迹指令综合跟踪控制器设计

运用多重尺度奇异摄动理论,结合动态逆解耦理论和动态平衡点邻区域优化线性化系统的优化解耦控制律理论,研究了战术任务综合飞行管理系统的综合飞行轨迹指令跟踪控制器系统化设计方法。对F-15飞机,设计了综合飞行轨迹跟踪控制器。数字仿真结果表明,设计的跟踪控制器能够控制飞机精确跟踪不同时标集的飞行指令。     

Nonlinear adaptive and sliding mode flight path control of F/A-18 model

The question of inertial trajectory control of aircraft in the three-dimensional space is discussed. It is assumed that the nonlinear aircraft model has uncertain aerodynamic derivatives. The control system is decomposed into a variable structure outer loop and an adaptive inner loop. The outer-loop feedback control system accomplishes (x,y,z) position trajectory and sideslip angle control using the derivative of thrust and three angular velocity components (p,q,r) as virtual control inputs. Then an adaptive inner feedback loop is designed, which produces the desired angular rotations of aircraft using aileron, elevator, and rudder control surfaces to complete the maneuver. Simplification in the inner-loop design is obtained based on a two-time scale (singular perturbation) design approach by ignoring the derivative of the virtual angular velocity vector, which is a function of slow variables. These results are applied to a simplified F/A-18 model. Simulation results are presented which show that in the closed-loop system asymptotic trajectory control is accomplished in spite of uncertainties in the model at different flight conditions.     

VTOL Aircraft Control Output Tracking Sensitivity Design

A method is presented for reducing trajectory sensitivity and achieving robust asymptotic tracking for linear feedback systems when there are parameter perturbations and disturbance inputs. The controller consists of a servocompensator containing the modes of the reference signals and disturbance inputs, a stabilizing feedback loop, and a feedforward compensator. Application of the method to the design of a vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft flight control system is discussed. The use of a precompensator allows performance maneuvers such that the aircraft tracks desired trajectories and the feedforward and feedback signals aid in reducing the trajectory sensitivity to variations of parameters due to change in airspeed and to wind gust. Simulation results are presented to show the robust tracking, disturbance rejection, and sensitivity reduction capabilities of the flight control system.     

Full mode flight dynamics modelling and control of stopped-rotor UAV

The Stopped-Rotor (SR) UAV combines the advantages of vertical take-off and landing of helicopter and high-speed cruise of fixed-wing aircraft. At the same time, it also has a unique aerodynamic layout, which leads to great differences in the control and aerodynamic characteristics of various flight modes, and brings great challenges to the flight dynamics modelling and control in full-mode flight. In this paper, the flight dynamics modelling and control method of SR UAV in full-mode flight is studied. First, based on the typical flight profile of SR UAV when performing missions, using the theory and method of fuzzy mathematics, the T-S flight dynamics model of SR UAV in full-mode flight is established by synthesizing the flight dynamics model of each flight mode. Then, an explicit model tracking and parameter adjusting control system based on fuzzy theory is designed to enhance the stability of the inner loop of SR UAV in full-mode flight, which effectively reduces the coupling between axes and improves the control quality of the system. Finally, the outer loop control system is designed by using classical control method, and the control law of SR UAV in full-mode automatic flight is obtained. The simulation results show that the proposed control system design method is feasible and effective, which lays a solid foundation for the subsequent engineering implementation of the SR UAV.     

高精度液压仿真转台鲁棒控制

 针对液压仿真转台具有时变不确定性、复杂外干扰等特点和高精度控制性能要求，提出了一种鲁棒复合控制结构，该结构由鲁棒内回路补偿器、外回路反馈控制器和输入信号前馈补偿器三部分组成。其中，鲁棒内回路补偿器用来抑制外干扰和时变不确定性的影响，外回路反馈控制器的作用是保证闭环系统的整体性能，输入信号前馈补偿器实现对系统动态时滞的补偿，以保证对参考信号的精确跟踪。以某型液压仿真转台内环为例，首先根据所提出控制策略的基本思想，给出了控制系统的具体设计过程，然后，进行了阶跃响应、低速跟踪和正弦响应试验。试验结果表明，所提出的鲁棒控制策略是有效的和可行的。     

多无人机绳索悬挂协同搬运固定时间控制

针对多无人机绳索悬挂协同搬运跟踪控制问题,设计了一种新的固定时间协同跟踪控制算法。首先,通过旋量分析,计算系统不同状态下的有效旋量空间,并根据静力学平衡计算系统在有效旋量空间约束下的拉力容许裕度。其次,在保证绳索张紧以及最大拉力约束的条件下,基于微分平坦性以及绳索拉力优化分配算法,规划编队的期望跟踪轨迹。然后,基于Udwadia-Kalaba方程建立系统动力学模型,设计了连续的基于类超扭滑模和积分滑模的鲁棒控制项,以补偿系绳拉力给无人机造成的扰动,并设计了基于双极限齐次性原理的固定时间无人机协同外环位置控制器。针对无人机内环姿态稳定控制,设计了固定时间姿态稳定控制器。仿真结果表明,绳索拉力满足张紧和最大拉力约束,且设计的固定时间协同跟踪控制算法保证了系统在固定时间内稳定跟踪期望轨迹。     

短距起飞垂直着陆推力矢量无人飞行器减速过渡控制律设计

为实现短距起飞垂直着陆(STOVL)无人飞行器在推力矢量控制下的减速过渡,研究减速过渡阶段的控制律综合设计方法.首先通过分析STOVL无人飞行器减速过渡性能,对减速过渡推力矢量控制方案进行了评估;然后采用隐式动态逆方法设计导引律,为STOVL无人飞行器按预设任务减速过渡提供可达的控制指令;最后采用改进的特征结构配置方法进行内环控制律设计,跟踪导引指令并保持姿态稳定,伴随动压降低加入姿态喷管控制,辅助气动舵面稳定姿态.由全量六自由度飞行仿真结果表明:当减速过渡速度低于最小平飞速度以后,STOVL无人飞行器依然保持良好的航迹跟踪和姿态稳定.该方法完全采用直接配置法,有利于随控布局总体方案的快速评估.      

Implementation of tactical maneuvers with maneuver libraries

This study creates and combines the general maneuver libraries for fixed-wing aircraft to implement tactical maneuvers. First, the generalized maneuver libraries are established by analyzing the characteristics of tactical maneuvers required in battlefields. The 7th order polynomial is applied to both the creation of the maneuver libraries and the generation of the trajectories or flight paths for modal inputs. To track the desired trajectory, we design the Attitude Command Attitude Hold (ACAH) system and the Rate Command Rate Hold (RCRH) system using Model Following Controller (MFC). Moreover, the Line-of-Sight (LOS) guidance law is designed. In particular, the CONDUIT® is employed to optimize the gains so that the control systems meet the aircraft Handling Qualities (HQ) criteria. Finally, flight simulations are performed for the longitudinal loop, immelmann-turn, and climb-slalom-descent maneuvers to verify that tactical aggressive maneuvers are realizable via the combination of maneuver libraries. This study can contribute to the development of flight techniques for aircraft tactical maneuvers and to the revision of air force operational manuals.     

一种无人机推测导航(DR)抗侧风控制策略

随着无人机应用领域的不断扩大，要求无人机在GPS信号失效时仍然能够保证一定的航迹跟随性能。在不给现役无人机增加其他的硬件配置的前提下，本文采用推测导航作为唯一的导航手段，并针对影响推测导航 精度的侧风扰动，研究了一种对抗侧风的控制策略。该策略的实质就是将普通的PID控制律改为一种容错控制律。仿真结果表明，这种控制策略在无人机作直线航迹跟踪时，效果十分理想。     

直升机多模态控制律的全飞行包线设计

根据直升机飞行模态的特点,提出了一种的内／外回路控制结构,将不同飞行模态通过内／外回路结构有机地联系起来,不仅简化了直升机多模态控制律的设计,还简化了模态转换的控制器结构。最后,用这种结构将直升机多模态控制律的全飞行包线设计分解为内回路的控制器切换和外回路的模态转换,设计思路避免了传统的增益调参。