基于LADRC的四旋翼无人机自适应姿态跟踪控制

针对四旋翼无人机受到外界干扰会导致系统参数的改变,从而影响控制性能的问题,提出了一种基于LADRC自适应姿态控制方法。首先,根据四旋翼无人机的姿态模型,建立了基于LADRC的四旋翼无人机姿态解耦控制结构;然后,引入干扰观测器估计补偿系统总扰动,实时在线辨识转动惯量值;考虑到控制量饱和的问题,设计模糊推理规则以提高控制性能。仿真结果表明,加入了自适应环节的LADRC控制器能够实现对干扰的准确估计,尤其在小角度飞行时表现出了较强的跟踪精度及响应速度。     

多旋翼飞行器涡环状态数值模拟

旋翼类飞行器在进入涡环状态时极易发生安全事故。采用基于非结构网格的滑移网格技术对多旋翼飞行器的气动特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。分别模拟了多旋翼飞行器垂直下降状态和30°斜向下下降状态时的流场,得到该状态下多旋翼飞行器的气动特性和滑流区流场规律,并分析了力与功率的变化规律。研究发现:多旋翼飞行器在垂直下降状态和30°斜向下状态均会进入涡环状态,在垂直下降速度为4 m/s时,多旋翼飞行器已经处于涡环状态,旋翼的拉力损失会达到15%,旋翼功率随下降速度的增大先增大后减小,且不同旋翼拉力大小和功率大小不一致。当30°斜下降速度为4~6 m/s时,多旋翼飞行器处于涡环状态。该结论可为多旋翼无人机的安全飞行提供参考。     

基于自抗扰的无人机俯仰姿态控制

针对无人机俯仰姿态控制回路在模型参数和复杂外界环境等不确定性干扰影响下鲁棒性差、系统响应速度慢的问题,采用工程上易实现的自抗扰控制(ADRC)方法设计了俯仰姿态控制器,通过构造线性扩张状态观测器(LESO)估计不确定性干扰,并在控制回路中对干扰进行实时补偿.性能分析与仿真结果表明,基于ADRC的无人机俯仰姿态控制器具有良好的性能和干扰抑制能力,并且能够实现对控制指令的精确跟踪.     

四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真

四旋翼飞行器是典型的欠驱动、非线性、强耦合系统。其姿态控制精度和抗干扰问题一直是研究热点之一。为了实现小型低成本四旋翼飞行器姿态准确控制,详细分析了四旋翼飞行器受力情况,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型,针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中经常会遇到阵风、气流等不确定外界干扰,设计了基于小扰动的PID控制器,并通过对俯仰通道、横滚通道、偏航通道MATLAB/Simulink仿真模型进行仿真测试和结果分析。结果表明:所设计控制算法能够满足四旋翼飞行器姿态控制要求,并具有较好的抗干扰性能。     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。     

旋翼转速变化对直升机操纵品质影响分析

针对直升机旋翼转速设计问题,对变旋翼转速直升机飞行品质进行了研究。以某变旋翼转速直升机为研究对象,建立了无铰刚性单旋翼直升机飞行动力学模型,并参照ADS-33E-PRF飞行品质规范,计算了样例直升机在悬停以及前飞(30 m/s)时不同旋翼转速状态下的操纵带宽、相位延迟、姿态快捷性和轴间耦合等操纵品质指标,分析得到不同速度下旋翼转速变化对直升机操纵品质的影响。结果表明,旋翼转速降低对滚转与俯仰姿态变化飞行品质有不利影响,对小幅度偏航姿态变化飞行品质没有影响,对中等幅度偏航姿态变化有利,对直升机轴间耦合有不利影响。     

倾转双旋翼无人机风场扰动下的建模和控制器设计

针对可倾转双旋翼无人机容易受外界风场扰动和模型不确定性影响的问题,设计了基于自抗扰控制技术的飞行姿态和PID轨迹组合控制。通过分析阵风对无人机姿态的影响,利用牛顿-欧拉法推导出有风条件下的双旋翼动力学方程;然后,通过Dryden大气紊流模型建立了无人机所处的风场环境;最后,用自抗扰控制器对无人机的动力学模型作干扰补偿,并采用粒子群算法进行参数整定,解决自抗扰技术参数繁多、人工调节复杂的问题。仿真结果表明,所设计的自抗扰姿态控制和PID轨迹组合控制器能有效抑制紊流风扰动,实现稳定飞行。     

不确定强耦合下四旋翼姿态鲁棒自适应控制

针对多源不确定强耦合下的四旋翼无人机姿态控制问题，首次设计了一种多层逼近自适应神经网络动态面控制算法。区别于以往的加性耦合不确定研究，考虑无人机飞行控制中的乘性耦合多源不确定估计与补偿问题。首先，构建不确定四旋翼无人机姿态动力学模型，并基于神经网络与傅里叶展开实现乘性耦合不确定的巧妙转换；其次，将自适应技术与反步法相结合，设计多层逼近自适应控制律；同时将动态面技术用于解决反步法中虚拟控制律求导问题。完整理论分析与仿真实验表明了所述控制策略的有效性。     

基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制

针对四旋翼无人机在系统内部模型参数不确定性情况下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制方法。首先,采用单位四元数来描述系统姿态,将系统分解为位置子系统和姿态子系统;考虑到位置子系统的欠驱动特性,引入了虚拟控制力,跟踪位置信息并解算出实际升力和理想姿态;其次,通过自适应滑模控制器补偿了质量和转动惯量的不确定性,实现了轨迹的跟踪;最后,利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明了算法的有效性。     

基于环量控制的无尾飞翼俯仰和滚转两轴无舵面姿态控制飞行试验

环量控制通过驱动压缩空气射流产生虚拟舵面实现无舵面飞行控制，显著提高低可探测性。基于无尾飞翼布局无人机，提出基于激励器终端压力反馈的闭环控制策略，自主开发机载多通道闭环控制射流作动系统，并与飞行控制系统进行融合，实现基于主动射流的姿态闭环控制，通过60 m/s巡航速度下飞行试验，定量研究了环量控制用于俯仰和滚转姿态控制能力。结果表明：环量激励器通道组合产生双向连续、稳定的俯仰和滚转控制力矩；射流作动系统响应延迟小于0.02 s，射流作动无人机姿态角速度响应时间小于0.02 s；俯仰环量激励器压比-1.025与升降舵-2.5°舵偏角产生的俯仰力矩相当，滚转环量激励器压比1.050与副翼2.0°舵偏角产生的滚转力矩相当，并分别实现纵向和横向无舵面姿态控制。     

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。     

基于变权重变异鸽群优化的无人机空中加油自抗扰控制器设计

针对空中加油过程中的受油机模型建模误差和强扰动以及自抗扰控制器（ADRC）人工参数整定难的问题，提出了一种基于变权重变异鸽群优化（VWMPIO）算法的无人机自抗扰控制器优化算法。首先，给出了六自由度无人机（UAV）模型，基于自抗扰控制结构设计了一种受油机的姿态控制器，在此基础上用所提出的变权重变异鸽群优化算法整定了自抗扰控制器参数。随后，将变权重变异鸽群优化与其他基本鸽群优化算法、粒子群优化算法进行了实验对比，并从控制性能和抗噪声性能的角度对自抗扰控制器和传统的比例-微分-积分（PID）控制器进行了仿真对比。实验结果表明所提算法能提高复杂态势环境下无人机空中加油的控制精度和扰动抑制性能。     

Predictor-based model reference adaptive roll and yaw control of a quad-tiltrotor UAV

An attempt is made to apply modern control technology to the roll and yaw control of a rudderless quad-tiltrotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in the latter part of the flight mode transition, where aerodynamic forces on the tiltrotor’s wings start to take effect. A predictor-based adaptive roll and yaw controller is designed to compensate for system uncertainties and parameter changes. A dynamics model of the tiltrotor is built. A Radial-Basis Function (RBF) neural network and offline adaptation method are used to reduce flight controller workload and cope with the nonlinearities in the controls. Simulations are conducted to verify the reference model response tracking and yaw-roll control decoupling ability of the adaptive controller, as well as the validity of the offline adaptation method. Flight tests are conducted to confirm the ability of the adaptive controller to track different roll and yaw reference model responses. The decoupling of roll and yaw controls is also tested in flight via coordinated turn maneuvers with different rotor tilt angles.     

Novel roll effector based on zero-mass-flux dual synthetic jets and its flight test

The autonomous and controllable Dual Synthetic Jet Actuator (DSJA) is firstly integrated into the Unmanned Aerial Vehicle (UAV), and flight tests without the deflection of rudders are carried out to verify the viability of DSJA to control the attitudes of UAV during cruising. DSJA is improved into an actuator with two diaphragms and three cavities, which has higher energy levels. Actuators, differentially distributed on both sides of the wings, are installed on the trailing edge close to the wing tips. Flight tests, containing Differential Circulation Control (DCC) using double-side actuators, Positive Circulation Control (PCC) using left-side actuators and Negative Circulation Control (NCC) using right-side actuators, are implemented at cruising speed of 25 m/s. Results show that roll attitude control without rudders could be realized by DSJAs. DCC and NCC can generate the rightward roll and yaw angular velocity, prompting UAV to turn right. The stronger controlling ability can be achieved by DCC, with the maximum roll angular velocity of 15.62 (°)/s. PCC can generate a rightward roll moment, but a leftward yaw moment will be produced at the same time. Leftward yaw induces the leftward rolling moment, which weakens the roll control effect, making UAV keep to yaw to the left with a small slope.     

穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法

微下冲气流是最危险的低空风切变形式,为在起降阶段安全穿越该气流,飞翼布局的无人机控制律应具有快速响应能力和良好的鲁棒性。针对大展弦比飞翼布局无人机舵面附加升力大和低速状态俯仰操纵效能低的特点,提出了舵面附加升力和机体气动力相结合的复合控制方案,改进了以输出误差为参考量的非线性指令分配策略,设计了基于迎角保护的指令分配策略。将风干扰和模型的不确定性视为未知扰动,采用自抗扰控制(ADRC)理论设计飞翼布局无人机非线性控制律,使之对风干扰和模型的不确定性进行估计补偿。仿真结果表明,复合控制与ADRC相结合的方法加速了航迹倾角的单位阶跃响应速度,使上升时间缩短了64%,同时能够实现对风干扰的有效观测和补偿,使高度损失低于2m;能够在风切变中有效保护迎角,使其维持在5.5°以内。因此,该方法能够为飞翼布局无人机安全平稳地穿越微下冲气流提供一种参考方案。     

低速风洞绳牵引并联支撑系统的机构与模型姿态控制方案设计

首先介绍作为风洞试验中新型"软式"支撑系统的绳牵引并联支撑系统;其次,在给定的设计要求下,依据缩比模型所需运动,探讨绳牵引并联支撑系统的设计原理,并提出详细的设计步骤,得到了一个8根绳牵引的RRPM:WDPSS-8,使缩比为1∶40的F-15E模型可实现的俯仰角达-79°~71°、滚转角达-90°~90°、偏航角达-38°~39°;最后,在建立系统的动力学模型的基础上,采用基于绳长关节空间的驱动力矩控制器的位置控制方案来进行缩比模型的姿态控制,并用Lyapunov函数证明缩比模型在该控制规则下的运动稳定性。     

Virtual flight test of pitch and roll attitude control based on circulation control of tailless flying wing aircraft without rudders

Circulation Control(CC) realizes rudderless flight control by driving compressed air jet to generate a virtual rudder surface, which significantly improves low detectability. The layout plan of combined control rudder surface is proposed based on the tailless flying wing aircraft. The closed-loop jet actuator system and stepless rudder surface switching control strategy are used to quantitatively study the control characteristics of circulation actuator for pitch and roll attitude through 3-DOF ...     

考虑输入饱和的固定翼无人机自适应增益滑模控制

针对复杂环境下的固定翼无人机飞行控制问题，考虑输入饱和以及复杂外界干扰的影响，提出一种基于自适应滑模控制方法的固定翼无人机飞行控制策略。首先，对固定翼无人机模型进行介绍，将模型分为姿态子系统和速度子系统；其次，针对姿态子系统和速度子系统的特点以及控制需求，分别采用自适应多变量螺旋滑模和自适应快速超螺旋滑模设计姿态控制器和速度控制器，该策略无需设计干扰观测器对外界干扰进行估计，仍然可以实现固定翼无人机对姿态参考指令和速度参考指令的有限时间精确跟踪，并基于Lyapunov的稳定性分析方法证明了闭环系统的稳定性。最后，对本文所提出的控制策略进行了仿真验证，结果表明该控制策略具有良好的控制性能。     

飞翼布局组合舵面航向控制特性综合研究

寻求高效实用的航向控制措施一直是飞翼布局飞行器设计的难点。提出了一种由外翼上翼面嵌入式阻力舵和其相对应的后缘副翼组成的组合舵航向控制措施,通过CFD方法、风洞试验和模型飞行试验3种研究手段,综合研究了单独部件和组合舵在低速、亚声速时的航向控制特性。结果表明：单独阻力舵的航向控制能力比较强,但与纵横向力矩耦合严重,需与其他舵组合使用;单独副翼的航向控制能力很弱,且与纵横向力矩耦合非常严重,建议不单独作为航向控制措施使用;组合舵的航向控制能力强,选取阻力舵与副翼的舵偏角角度差在0°~5°范围的组合舵方案,可以大幅度削弱与纵横向的力矩耦合程度,实现操纵舵面解耦设计;无论单独部件,还是组合舵,舵偏角为0°~6°范围的力矩变化规律较差,建议通过预置舵偏角等方式避开此角度区域。     

一种方向舵-螺旋桨联用的全翼式太阳能无人机横航向控制方法

以全翼式太阳能无人机（UAV）为研究对象,针对无副翼状态下横航向控制问题,提出了采用方向舵偏转和螺旋桨差动进行横航向控制的方法。首先,分析了两个螺旋桨条件下该类无人机横航向的稳定性与操纵性;然后,基于线性自抗扰控制（LADRC）理论,以方向舵偏和螺旋桨差动为控制输出,分别设计了滚转角控制器和偏航角控制器。最后,结合滚转角控制和偏航角控制的优缺点,在L1轨迹跟踪算法的基础上设计了方向舵和螺旋桨联用的直线轨迹跟踪器。仿真结果表明：所设计的控制器具有较好的控制性能、鲁棒性和抗风性。同时参数整定过程相对简单,并采用实际可测的物理量,为进一步工程应用提供参考。