某型超低空无人机设计特点与关键技术分析

本文着重论述某型超低空无人机的设计特点和主要的关键技术问题。文中首先分析了超低空飞行的环境条件,诸如飞行动压增加,大气紊流加剧,无线电跟踪和测,控、定位困难,电子没备易受干扰等。接着对原型机的不同修形方案在不同高度H,飞行马氏数M下,进行了大气紊流动态响应分析计算。在此基础上,为了寻求缓和过渡过程,改善飞行品质,提高飞行精度,保证飞行安全,确保战术技术指标和要求的技术方案和措施,进行了气动布局选择,飞行轨道设计与计算,飞控系统设计及其参数选取,结构分析与设计,以及试验与试飞等方面的研究工作。科研试飞和定型试飞证明本文所论问题,方案合理,原理正确,措施得当。     

高速无人机自主着陆纵向控制技术研究

为了提高无人机自主着陆的控制精度与安全性，以某型高速无人机为研究对象，在陡下滑段采用总能量控制，跟踪高度和速度同时变化的下滑轨迹；在拉起段接入速度控制，并在指数拉起的基础上，采用高斯伪谱轨迹优化方法设计出油门单调减小的速度轨迹；基于自抗扰控制方法设计升降速度控制律，实现对触地升降速度的精确控制。最后，在MATLAB/Simulink平台下搭建对象模型，对无人机自主着陆闭环控制系统进行仿真，并采用蒙特卡洛法对存在参数不确定性情况下的控制系统鲁棒性能进行验证。仿真结果表明，所提出的轨迹设计方法与控制结构能够满足着陆性能要求，控制系统具有较强的鲁棒性。     

具有输入时滞的集群无人机事件触发协同最优控制

针对带有输入时滞和外部干扰的集群无人机系统,提出了一种基于强化学习的集群无人机事件触发分布式自适应最优控制方法。为了实现最优控制,引入了基于神经网络的强化学习算法,并设计了一种与系统控制性能有关的动态事件触发策略,该策略可以在尽可能降低对一致性控制性能不利影响的前提下,减少通信资源的浪费,同时该策略不存在Zeno行为。此外,在控制器设计过程中,引入了一种含有积分项的坐标变换来处理系统的输入时滞问题。在输入时滞和外部干扰的影响下,所提出的基于干扰观测器的最优分布式协同神经网络控制策略能够保证每个无人机系统所有信号都有界,并且每个无人机系统的输出能够实现一致性。最后,仿真结果验证了所提控制方法的有效性。     

小型无人直升机模糊飞行控制系统设计

为了实现小型无人直升机的自主飞行,本文研究了它的飞行控制系统。基于模糊控制技术,根据某小型无人直升机飞行动力学数学模型,设计了模糊控制规则,并研究了模糊规则的表格查询学习算法;通过无人直升机操作手的经验,对模糊规则进行评价,并通过试验进行校正和更改,在此基础上,引入积分环节进一步提高控制系统的性能。     

倾转三旋翼无人机倾转定高控制研究

针对倾转旋翼无人机在倾转过程中的高度控制问题,提出一种基于灰狼优化的神经网络自适应控制方法,用于一种倾转三旋翼无人机倾转过程的飞行控制.首先,建立了无人机的非线性数字仿真模型;其次,基于神经网络自适应控制方法分别设计了无人机的高度控制器和姿态控制器,并用灰狼优化算法对神经网络的参数和控制器的参数寻优;再次,设计了倾转过...     

基于非线性干扰观测器的空天飞行器轨迹线性化控制

研究一种新的空天飞行器基于非线性干扰观测器的轨迹线性化飞行控制方案。轨迹线性化控制是一种新颖有效的非线性跟踪和解耦控制方法,但空天飞行器飞行过程中存在的建模误差和外界干扰等不确定因素将导致其性能下降甚至失效。为了满足空天飞行器高精度高稳定控制的要求,本文利用非线性干扰观测器对系统中存在的不确定进行估计,其输出用以设计新的补偿控制律,从而使当前轨迹线性化方法的控制性能得到改善。最后利用该方案设计出空天飞行器飞行控制系统,通过高超声速飞行条件下的仿真,验证了该方法的有效性。     

无人机六自由度简化模型和风扰动处理

在不具备数模混合仿真实验的条件下,本文提出了在模拟计算机上,无人驾驶飞机六自由度非线性全量方程的飞行控制系统动态物理模拟仿真和对阵风扰动处理的方法。飞行控制系统动态物理模拟仿真是在几种特定的状态下进行的,考虑到模拟机上实现的可能,在每个状态计算飞机气动力和气动力矩系数时,冻结高度、速度、质量,使这些系数简化为常数或单变量函数,预先在数字计算机上算好,或者计算好一部分使模拟机上实施简单,少用非线性部件,减少了误差。但在计算阻力时,不冻结速度,考虑速度负反馈。从而实现了对大机动无人机KJ-9C和超低空无人机KJ-9E飞行控制系统的动态物理模拟仿真。     

一种基于航空器气象资料下传数据的飞行剖面生成方法

由于飞行剖面识别是航空器四维(Four-dimensional,4D)航迹预测研究的热点问题,提出一种基于航空器气象资料下传(Aircraft meteorological data relay,AMDAR)数据的全飞行过程剖面生成方法,包括由高度-航程构成的标称高度剖面和空速-航程构成的标称速度剖面。首次将动态空间规整算法(Dynamic space warping,DSW)应用到飞行高度剖面的相似距离计算中,计算出标称飞行高度剖面;为解决在地速未知情况下标称速度剖面的计算问题,结合大椭圆距离算法与航空器基本性能数据库(Base of aircraft data,BADA),给出一种标称飞行速度剖面的计算方法,该方法保留了AMDAR实测历史数据中所隐含的飞行意图与气象因素。实际算例表明,本文提出的方法能够有效地得到真实反映航空器飞行状态的全飞行剖面。     

干扰和执行器故障下的舰载机着舰容错控制系统

本文提出了一种执行器故障的舰载机着舰容错控制系统,该系统可有效抑制着陆过程中的外界干扰和执行器故障带来的不利影响。首先,利用基于最小二乘的自回归模型对甲板运动进行预测,以获得在波浪干扰下的准确落点;其次,设计了下滑路径导引律,利用该导引律生成飞行航迹角;此外,设计了基于干扰观测器的快速终端积分滑模控制器,利用低通滤波器实现了控制器串联设计;最后,通过李雅普诺夫函数证明了该容错控制方法的跟踪误差一致有上界。将本文方法与比例-积分-微分控制器进行了对比数值仿真,验证了该算法的可行性。     

基于连续螺旋滑模的无人机分布式编队控制

为了解决复杂环境中无人机分布式编队控制问题,考虑外界干扰影响和状态信息不完全反馈情况,对无人机设计分布式编队控制器。无人机利用自身位置反馈,基于二阶精确微分器设计状态观测器,得到无人机速度和干扰的估计值;结合自身估计信息和邻机位置、速度的估计,基于连续螺旋滑模控制方法设计编队控制器和姿态跟踪控制器;稳定性分析保证了无人机闭环系统稳定性。基于Matlab/Simulink数值仿真和软件在环实时仿真平台,验证了所设计控制算法的有效性,并演示了三维可视化仿真结果。     

基于网络的无人机实时仿真系统软件

提出一种基于C/S结构的UDP网络便携式无人机半实物实时仿真系统,设计了嵌入式实时仿真软件、仿真控制与显示软件、网络通信软件.在由飞行控制计算机实物、电动舵回路实物和实时仿真设备组成的无人机半实物实时仿真试验环境下,对所设计的仿真系统软件进行全过程实时飞行仿真试验验证.验证结果表明,所设计软件功能正确,性能满足设计指标.     

输入饱和无人机的鲁棒组合非线性反馈控制

实际场景中,控制器输入饱和和外部干扰是对无人机控制系统产生不利影响的2个主要因素。对此,本研究针对CE150无人机模型,先采用H∞理论设计线性控制器,并在此基础上引入能提高系统瞬态性能的非线性项构成组合非线性反馈控制技术(CNF)来改善输入饱和的问题。同时,设计观测器对未知干扰进行在线估值,并在原有的组合非线性反馈控制器中加入干扰补偿项以提高系统鲁棒性。仿真结果表明,与传统的线性控制器相比组合非线性反馈控制器能显著改善输入饱和的不利影响,而引入补偿项的CNF控制器在保留原始CNF控制器优点的同时能有效抑制外部干扰,实现了无人机对给定信号的准确跟踪。     

火星探测无人机快速景象匹配算法

针对火星无人机探测飞行过程的特点及其机载计算机的局限性,在充分研究了矩阵奇异值向量性质特点的基础上,对奇异值向量进行主分量分析,提出了一种应用于火星无人机平飞段的基于奇异值分解的分层快速景象匹配算法,并给出了与之相应的机载特征数据存储方法.与相关算法的对比性实验表明,本文提出的算法具有准确,稳定,且速度更快,数据量更小的优点.通过仅在飞行末段,将本文算法切换成现有的基于SIFT算子的匹配算法,能在实现火星无人机全程快速景象匹配的同时,有效降低对其机载计算机综合性能的要求.     

基于进场雷达引导的无人机自主着陆控制规律设计与仿真

为了实现无人机在进场雷达引导下按照预定的航迹自主着陆,进场雷达会实时测量无人机的航迹并和预定航迹比较产生偏差引导信号发送给无人机,无人机在引导信号作用下通过控制系统不断的调整舵面,来改变其所受到的气动力和气动力矩,实现对着陆姿态和航迹的自主控制。在仿真中采用基于Matlab/Simulink的无人机六自由度非线性数学模型,设计了高度稳定与姿态控制回路,通过对仿真结果的分析,验证了飞行控制系统设计的合理性,实现了无人机按照预定航迹的自主着陆仿真。     

基于Backstepping的无人机自动着舰控制律

针对无人机自动着舰问题,通过对无人机运动学模型分析,以无人机的纵向运动模型为验证平台,论证了Backstepping控制方法应用于无人机自动着舰系统设计的可行性。为了抑制风的干扰,提高着舰精度,设计出基于Backstepping的自动着舰引导系统。通过对所设计的自动着舰导引系统进行仿真。在仿真层面上,该设计能够满足着舰要求,能有效抑制风的影响,具有良好的鲁棒性能。     

航天飞机的随控布局研究——航天飞机空气动力学问题之六

从60年代后期以来,在飞行器研制中逐渐采用先进的主动控制技术。对于航天飞机,随控布局的主要任务是放宽静稳定性,对静不稳定的航天飞机实现飞行控制,并使共具有良好的飞行品质和性能。航天飞机随控布局设计的主要参数是高超音速下的配平能力、重心后限和操纵面的气动加热。在空气动力学上,主要靠机翼机身的合理布局设计。最佳的随控布局设计比常规设计飞行器的有效载荷有显著的增加,飞行器的净重约可减少10%。     

基于滚动时域优化的变后掠角飞机修正控制律设计

为了确保飞机在变后掠角过程中的飞行稳定性,提出了一种基于滚动时域优化(Receding horizon optimal,RHO)的修正控制方法。首先,采用反步方法进行标称控制律设计,提供基本的飞行稳定性和跟踪性能。其次,将指令滤波器表示成状态空间的形式,基于指令滤波器、飞机和积分跟踪误差的状态方程得到一个增广状态方程。然后,采用RHO方法进行修正控制律设计,在有限滚动时域内计算得到修正控制量,对标称控制器输出进行在线补偿,确保快速变后掠角过程中的飞行稳定性。最后,通过变后掠角飞机航迹倾斜角控制系统仿真对算法的有效性进行了验证。     

多旋翼无人机飞行控制自动调参技术

目前,多旋翼无人机控制器设计问题中存在着大量的依靠经验的调参工作。为了使调参简单而又可靠,本文基于控制器参数与控制系统性能响应存在的对应关系,提出了自动调参思想。在满足控制器各项性能指标的前提下,利用粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)提炼出优化目标和约束条件。对被控对象进行建模并搭建非线性模型。然后,利用工程实践方法估算出参数范围,并利用粒子群快速优化特点自动寻找在约束条件下符合性能指标的控制器参数。最后,通过Matlab/Simulink对模型进行仿真验证。仿真结果分析表明,PSD可快速准确地对飞行控制进行自动调参。     

轻型无人机与飞机风挡碰撞风险研究（英文）

随着无人机应用的快速增长,机场附近和空域已发生了很多重大航空事故和危险征候,无人机的无序飞行对航空运输安全构成了巨大的潜在威胁。以典型轻型无人机和某型商用飞机及其风挡为研究对象,通过有限元仿真方法得到无人机在最严酷姿态下与飞机风挡最薄弱位置碰撞损伤等级及相应的冲击能量区间,以此保守划分损伤严重性等级。在无空中交通指挥干预的情况下无人机与飞机相互独立运动,考虑两机之间的水平最小安全间隔、侧向最小安全间隔以及垂直最小安全间隔的联合约束,通过蒙特卡洛仿真得到无人机与飞机的碰撞概率,并确定碰撞可能性等级。基于损伤严重性等级和碰撞可能性等级的不同组合形成无人机与飞机风挡碰撞的较为保守的定性风险矩阵。研究结果总体表明:在120 m飞行高度下,两机距离超过3 600 m且在典型的俯仰角和航向角工况下发生碰撞风险及其损伤程度较小,否则发生碰撞风险较大且损伤程度较严重。研究结果为无人机的规范性设计制造、局方对无人机运行管控的政策制定以及无人机与载人飞机在同一空域运行的风险评估提供理论依据和实践参考。     

基于三维弯曲激波的宽域变马赫数乘波体设计分析

为改善常规乘波体布局的宽域气动性能,提出了一种基于复杂三维弯曲激波面的宽域变马赫数乘波体设计方法,其本质是将局部偏转吻切方法与“并联变马赫数”概念相结合,各流面内的设计马赫数不再保持不变,而可根据需求进行调整,以此提高乘波体的宽速域性能。该方法采用Bezier曲面直接指定所需三维激波形状,使得激波形状的选取更为灵活。结果表明,基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体拥有更为均衡的气动与几何特性,更适于宽域飞行,且各流面内设计马赫数的离散单调性对此类乘波体性能有较大影响。相同条件下,马赫数7至12范围内设计的基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体相较于吻切锥变马赫数乘波体具有更大的容积与更高的升阻比,但容积率有所下降。