无人机滑跑纠偏控制

研究无人机(UAV)滑跑纠偏控制方案、控制结构及控制律设计方法。提出了主轮差动刹车与方向舵联合滑跑纠偏控制方案及控制结构,建立了包含起落架、刹车装置及跑道特性的无人机滑跑非线性全量数学模型,采用频域模型作为参考模型表示期望的滑跑纠偏控制性能,利用基于遗传算法的全局优化过程对联合纠偏控制律参数进行设计,使纠偏控制特性逼近参考模型特性。实例设计表明,滑跑纠偏控制方案和控制结构合理可行,控制律设计方法快捷有效。     

某型无人机滑跑起降纠偏控制改进分析

地面滑跑起降是轮式无人机飞行过程中的一个重要阶段,研究地面滑跑起降阶段的动力学特性对于无人机抗侧风特性摸底和纠偏控制律设计优化具有重要意义。基于轮胎侧向力模型、弹性轮胎和刚性机体假设,在 Matlab 平台建立地面滑跑阶段全量非线性模型和纠偏控制模型,综合分析发动机扭矩与侧风等工况下滑跑起飞和着陆过程中的响应特性,并对比分析两种不同纠偏控制模型下的纠偏性能和抗侧风特性。结果表明：该仿真模型能够反映无人机滑跑起降阶段的动力学特性,改进后的纠偏控制模型能够大幅缩短滑跑起飞距离,并且可以较好地实现纠偏控制。     

无人机地面操纵转弯特性分析与计算研究

为解决无人机安全起降问题,对无人机地面运动品质与操纵转弯特性进行了研究。首先建立了无人机地面滑跑动力学模型,通过数字仿真得到了无人机地面运动的惯性参数及机轮状态。接着建立了前轮操纵转弯的数学模型,计算了无人机在各滑跑速度下所允许的极限操纵角和最小转弯半径。结果表明,为防止无人机出现侧滑或者侧翻事故,前轮操纵角在存在7°机械限位的情况下,与滑跑速度仍需有定量的约束关系。     

某高速着陆无人机方向舵纠偏控制设计及性能分析

无人机高速着陆过程中,由于侧风或初始干扰导致的滑跑侧偏极其危险。基于高速状态下方向舵纠偏效率高的特点,建立某无人机高速着陆动力学模型,设计方向舵纠偏控制策略,并基于Matlab/Simulink平台建立无人机滑跑非线性动力学模型及方向舵纠偏控制模型;对具有初始1°偏航角和1m/s持续垂直侧风情况下的无人机着陆工况进行仿真分析,并通过控制着陆速度、着陆初始姿态角和侧风强度,分析纠偏控制系统的性能。结果表明:所设计的纠偏控制系统具有一定的航向纠偏和抗持续侧风能力,最大侧偏距小于3 m,偏航角小于5°,较好地实现了高速滑跑阶段的侧向纠偏性能。     

基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪地面目标制导律设计

对地面目标的自动跟踪是无人机在任务应用阶段需要解决的重要问题之一,多无人机协同跟踪能够提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率,因而具有重要研究意义。本文提出了一种基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪制导方法,解决了传统Standoff跟踪模式对地面目标的速度范围限制问题。首先,通过控制无人机的航向不断趋近于地面目标牵连跟踪圆切线方向的方法设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导律并完成了稳定性证明;其次,通过控制Follower无人机的速度和航向角逐渐趋近于Leader无人机速度和航向的协同跟踪策略,分别设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的制导律和编队相位协同制导律并完成了稳定性证明;最后,分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证,结果表明所提出的制导方法能够实现对不同运动状态地面目标的自动协同跟踪,并且跟踪性能优于基于李雅普诺夫向量法的制导方法。     

无人机自动控制仿真系统研究与实现

航迹控制回路是无人机自动控制飞行中的重要环节,它涉及无人机的姿态、航向和飞行状态等重要参数的变化。根据飞行控制的基本控制律实现了无人机在复杂航迹条件下的安全飞行控制,模拟出无人机在自动控制下的航迹、盘旋和着陆等的飞行任务。采用面向对象方法设计了基于堆栈的通用化的航线管理类。并分析了无人机在手动操作切换到自动控制方式时寻找航迹点飞行中可能出现的问题,提出了相应的解决方案。     

大翼展无人机侧风着陆控制技术研究

为提升大翼展无人机侧风着陆任务安全性,提出一种基于偏流法的侧风着陆控制策略,以实现在着陆接地前航向快速对正,避免大交叉角接地对起落装置的影响。首先,将偏流法侧偏修正与纠偏流航向控制结合起来,解决着陆过程的横航向协调控制与多模态控制律的匹配问题;然后,根据侧风着陆的控制特点提炼出侧风着陆控制律设计要求,通过侧风运动仿真总结出一套纠偏流控制律参数选取方法与优化原则;最后,开展了试飞验证。结果表明,设计的控制律可有效提升大翼展无人机侧风着陆安全性。     

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。     

轮式起降无人机滑跑起飞阶段动力学仿真研究

无人机地面滑跑起飞阶段是飞行过程中的危险阶段,其受力情况复杂,动力学特性与空中飞行时略有不同。以某轮式起降无人机为研究对象,根据起落架的机械特性和几何关系将起落架等效为一个弹簧阻尼系统,并在Matlab/Simulink中集成无人机本体、起落架、发动机、舵机、控制系统等模型,建立的仿真平台模拟无人机滑跑起飞全过程。结果表明:该轮式起降无人机在滑跑起飞过程中压着机头滑跑,始终对准航向,滚转姿态变化很小;在大油门推力作用下无人机增速较快,抬前轮后瞬间主轮离地,并以稳定的速度爬升,较短时间内可以到达安全高度。     

升力风扇无人机垂直起飞控制系统设计与仿真

针对升力风扇无人机升力产生原理异于常规飞机的特殊性,对无人机进行了受力情况分析,建立了垂直起飞阶段全量飞行力学数学模型,并详细给出了纵向和横航向的控制方案。采用传统控制律设计方法对升力风扇无人机垂直起飞过程的高度、纵向及横航向控制回路进行了设计,并搭建控制仿真平台进行了仿真验证,通过仿真结果分析了该类型飞机的运动特性,验证了控制系统的正确性和可行性。     

考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法研究

动态不确定环境下,为有效地提升UAV执行任务的安全性和可靠性,在UAV自主避障过程中考虑了自身的性能约束条件.在速度障碍圆弧法的基础上,考虑UAV的法向和纵向加速度约束范围,研究了速度障碍圆弧随速度矢量变化的规律,提出了一种考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法.该算法在考虑自身性能约束条件下,为实现UAV对威胁障碍的避碰提供了更大的避碰裕度.最后,对考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法进行了验证,仿真结果证明了算法的有效性和可行性.     

某型飞机模型飞行试验地面滑跑控制研究

地面滑跑纠偏的目标是控制飞机沿跑道中心滑行,避免因发动机安装偏差、侧风扰动、跑道不平、飞机结构不对称等非理想特性,出现飞机滑出跑道的情况.首先建立飞机地面滑行动力学方程,并分析三轮、两轮滑跑阶段的受力情况,在此基础上设计了副翼、方向舵与前轮联动的控制策略.在Simulink平台上搭建飞机的地面滑跑全量非线性模型,仿真验证了纠偏控制律结构和逻辑的正确性.试验结果表明,滑跑纠偏控制系统空地状态切换平稳,在低速和高速阶段均具有良好的控制效果.     

高速无人机着陆滑跑纠偏联合仿真研究

针对高空高速无人机着陆地面滑跑过程中的侧向偏移问题,建立了差动刹车和方向舵联合纠偏控制系统。使用动力学软件LMS Virtual. Lab Motion建立了包含阻力伞、气动舵面和起落架等设计因素的全机动力学模型,并与Matlab/Simulink控制模型进行全无人机着陆滑跑联合仿真分析,验证了在侧风情况下无人机着陆滑跑纠偏性能。仿真结果表明,所设计控制系统满足性能指标要求,在无人机的整个滑跑阶段均有良好的抗风纠偏效果。     

区域导航无人机空中基准站的多源信息融合容错导航系统研究

作为卫星导航系统的补充和备份,区域导航服务系统近年来得到较大发展。在基于无人机的区域导航服务系统中,无人机自身的定位精度对区域导航服务系统的可靠运行有直接的影响。针对无人机导航传感器及系统的容错和可靠性问题,设计了具有针对性和自优化功能的多源信息融合容错导航方案,提出了一种优化的基于矢量分配形式的自适应联邦滤波算法。通过对每个状态量设计不同的信息分配系数,实现传感器量测噪声的动态优化调整,有效减小了传感器故障对融合导航系统的影响,提高了无人机导航系统的鲁棒性。验证分析表明,该方法可以减小子滤波器故障信息对融合导航系统联邦滤波全局估计的影响,避免了故障子滤波器在信息重置过程中对系统造成的污染,提高和保障了无人机空中基准站多源信息融合导航系统的稳定性和可靠性。     

基于鲁棒伺服LQR的结冰飞机纵向控制律重构方法

由于防/除冰系统总会出现故障或者除冰不彻底,因此仅依靠防/除冰系统实现结冰条件下的安全飞行并非完全可靠,研究结冰后飞机控制律重构对飞机操纵安全和飞行安全极其重要。针对飞机的纵向运动建立了结冰影响模型和纵向动力学模型,采用鲁棒伺服线性二次型调节器(LQR)最优控制设计了飞机结冰后空中飞行纵向控制律,模拟了飞机在俯仰姿态保持模式下遭遇不同严重程度结冰后的动态响应特性,并与常规PID控制进行对比。结果表明,所设计的控制律能够有效改善结冰飞机的飞行性能和飞行品质,准确跟踪给定的俯仰角指令,且抗干扰能力、动态性能以及鲁棒性均优于常规PID控制。为飞机结冰后的重构控制问题和自动飞行控制,提供了新的思路。     

基于LADRC的舰载V/STOL飞机短距起飞性能优化

针对垂直/短距起降（V/STOL）飞机在有限的甲板上实施滑跑起飞以及离舰后快速、稳定爬升的实际需要，对其整个过程进行操控优化以提升短距起飞性能。建立了反映多推力矢量操纵特性的非线性动力学模型，其中包含了地面效应模型和V/STOL飞机特有的喷气诱导效应模型。分别以舰面滑跑距离最短和离舰后增速时间最短为优化指标，给出了舰面滑跑和离舰初期的预置多推力偏转方案。在此基础上，提出了一种线性自抗扰反演（LADRC-Backstepping）控制方法，以实现对爬升角不确定非仿射系统的有效控制，其中设计了一种辅助补偿系统来拟制控制量的饱和，同时保证了爬升角跟踪误差的有界性；直接利用一种高阶LADRC方法设计了俯仰角控制器，确保了V/STOL飞机最终以稳定的姿态爬升。仿真结果表明，所提出的"二次预置多推力偏转角+爬升角控制+俯仰角控制"的分段优化操控策略，能够较好地提升V/STOL飞机的短距起飞性能，对内部不确定性和外界干扰具有较强的鲁棒性，可满足实际飞行任务的需要。     

高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对含有不确定干扰项的吸气式高超声速飞行器模型,分别设计了基于反馈线性化的速度控制器和基于反步法的航迹控制器,以实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。通过指令滤波器得到俯仰角的实际跟踪指令及其一阶、二阶微分信号,可直接设计升降舵控制指令,在解决了虚拟控制量求导"复杂性爆炸"问题的同时,减少了反推计算步数,从而达到提高系统动态性能和优化控制器结构的目的。基于LaSalle不变集原理和Lyapunov理论设计的自适应更新律保证了系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的控制器在飞行器存在不确定干扰的情况下仍能满足对参考信号跟踪性能的要求。     

基于神经网络自适应动态逆的结冰飞机飞行安全边界保护方法

考虑到飞机带冰飞行的安全问题，对结冰飞机进行安全边界保护成为一种有效的解决手段。基于神经网络自适应动态逆跟踪性能好、鲁棒性强的优点，提出了以安全关键飞行参数限制值作为神经网络自适应动态逆的输入，获取可用舵面偏转角的边界保护方法。建立了飞机本体动力学模型，采用高精度的数值模拟方法获得结冰数据库。设计了神经网络自适应动态逆控制律，通过在动态逆环节引入单隐层神经网络，对不确定性逆误差进行自适应补偿，增强了控制系统的鲁棒性。以俯仰姿态保持模式为例设计了结冰飞行闭环安全边界保护系统。以结冰飞机最小平飞速度的估算值作为飞机最低飞行速度，设计自动油门控制系统，实现对飞行速度的保护。通过仿真验证了设计的控制律具有较强的鲁棒性。对结冰严重程度线性增加情形下飞机状态参数的动态响应进行了分析。仿真结果表明，所设计的结冰边界保护系统，能够实现飞机在容冰飞行过程中对安全关键参数如迎角、飞行速度的实时保护。     

飞机γ角姿态控制系统方案设计及仿真

在简要分析飞机侧向控制系统运动模态基础上,对飞机γ角姿态控制系统结构方案进行设计并进行仿真验证。仿真结果显示,所设计的飞机γ角姿态控制系统结构方案及其控制规律具有良好抗干扰能力,是合理有效的,从而提出对飞行状态变化剧烈的飞机,应采用控制规律调参措施。     

相对失控翻滚目标悬停的自适应模糊滑模控制

研究了含有系统不确定性和外部干扰的追踪器相对失控翻滚目标悬停的六自由度耦合控制问题。首先，在追踪器本体坐标系中建立了非线性的六自由度耦合的一体化动力学模型，将悬停控制问题转化为相对位置和相对姿态控制问题。再基于模糊逼近原理设计了一种自适应的模糊滑模控制器，该控制器能够有效克服系统的模型不确定性和外部干扰的影响，并能消除传统的抖振问题。由Lyapunov方法导出了模糊自适应律并证明了闭环系统的稳定性。数值仿真验证了所提的自适应模糊滑模控制器的有效性。