无人机航路规划技术研究进展

无人机航路规划问题本质是多约束条件下,多目标函数求极值的优化问题.规划出满足任务要求、导航、安全性等约束的较优航路,对提高无人机的武器系统性能有重要意义.通过对无人机航路规划的研究,对无人机航路规划问题进行了概括和总结,阐述了无人机航路规划的框架结构以及静态全局规划和动态局部规划方法的研究现状.分析了近年来常用的几种规划算法,着重分析了启发式算法以及遗传算法.在此基础上,对今后的研究方向进行了展望.     

某小型无人机控制律设计

切换控制律结构和参数是工程中常用的用来解决无人机非线性控制问题的方法。然而,传统切换方法极其依赖于设计者的工程经验。为此,结合某空中投放无人机的控制需求,作者设计了姿态拉起控制律和空中巡航控制律,并将模糊聚类划分与调度理论引入到控制律设计过程。本文首先针对样例无人机垂直投放的情况,设计基于角速率的拉起控制律。然后,应用GK(Gustafson-Kessel)模糊聚类划分算法计算全包线典型线性模型,对典型模型运用根轨迹的方法设计巡航控制律,在配平附近区域获得较好的控制品质,并结合划分得到的隶属度函数设计基于TS(Takagi-Sugeno)模糊模型的增益调度机制,在包线范围内根据飞行状态调节控制律参数。最后,进行了仿真验证。     

吊舱投放式巡飞器角速率控制律设计方法

以吊舱投放式巡飞器为研究对象,以Matlab为设计工具,对巡飞器控制的基本特性进行了分析,建立了巡飞器非线性数学模型,在此基础上对巡飞器的纵向、横航向进行了模态分析。采用经典控制理论的根轨迹法进行了三轴全权限角速率控制律设计,并结合数值仿真结果与对象基本特性设计了巡飞器的控制策略。     

基于速度矢量场的无人机实时动态航路规划

针对局域动态环境中无人机实时航路规划展开研究,提出了一种基于速度矢量场的二维动态实时航路规划方法。通过建立不同空间特征区域速度场模型,实现了速度场驱动下的无人机航路规划。文中采用虚拟目标点法解决了速度矢量场航路规划局部陷阱问题;采用探测步长法,实现了无人机机动约束的融合,解决了航路可飞性问题;在动态实时规划应用中,确立了环境信息更新方法,实现了对动态环境的描述。通过仿真验证,表明速度矢量场法能够根据动态环境信息及时规避威胁到达目标点,算法具有良好的完备性和实时性,适用于局域动态环境中的快速航迹规划。     

多无人机协同航迹规划技术研究

多无人机协同航迹规划是多无人机协同控制的重要组成部分。多无人机协同航迹规划能得到满足安全性、协同性和任务要求的较优航迹,这对提高无人机系统性能有重要的意义。介绍了多无人机协同航迹规划的问题描述和求解结构,总结了在协同规划问题中的约束条件和航迹协调方法,着重阐述了几种在多无人机编队中常用的控制方法。在此基础上,对未来可能的研究方向进行了展望。     

大展弦比无人机抗侧风着陆控制研究

大展弦比无人机进场着陆过程中速度较低,对侧风十分敏感,是飞行过程中控制最复杂的阶段之一.通过分析侧风条件对样例无人机着陆过程的影响,提出了通过优化设计着陆轨迹线、控制空速以及完善纵横向控制策略的方法来改善侧风条件下大展弦比无人机自动着陆的控制品质.仿真结果表明,所设计的自动着陆轨迹线合理,控制策略完备,控制律品质良好,满足样例无人机在侧风条件下自动着陆控制的设计要求.     

总能量控制在RLV自动着陆中的应用

为了解除重复使用运载器(RLV)自动着陆段飞行速度和航迹之间的非线性耦合,设计了基于总能量原理的纵向飞行控制律。该原理的核心思想是通过RLV的阻力板改变阻力来控制总能量,用升降舵调节总能量的分配,通过协调阻力板和升降舵指令,达到合理调节和分配能量的目的,确保控制系统具有良好的非线性解耦控制能力和较强的鲁棒性。仿真结果表明,基于总能量的飞行控制系统,实现了RLV自动着陆段高度和速度的解耦控制,满足不确定条件下RLV自动着陆的要求。     

绳系拖曳飞行器高抗扰轨迹跟踪控制

针对受未知风扰动作用下的绳系拖曳飞行器轨迹精确控制问题，设计了一种基于最小学习参数神经网络估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法。首先，结合绳系拖曳系统多刚体动力学模型，构建拖曳飞行器六自由度非线性模型，并完成其仿射非线性化处理。其次，考虑到拖曳飞行器可能受到前方飞机尾涡、紊流和阵风等未知气流及不可测量瞬变缆绳拉力等扰动的综合影响，构建了基于最小学习参数神经网络的拖曳飞行器状态/扰动在线估计器，以准确重构系统不可测量集总扰动。然后，基于所提状态/扰动在线估计器，设计了一种基于最小学习参数神经网络状态/扰动在线估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法，并分析了系统稳定性。最后，仿真表明，所提方法能够在多重气流扰动下实现拖曳飞行器位置稳定和机动轨迹跟踪。      

伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制

针对无可靠陆基/舰基回收平台情况下小型固定翼无人机（UAV）远程作战空基回收难题，提出一种伸缩套臂抓取式空基回收建模与对接控制方法。首先，受硬式空中加油技术启发，提出一种伸缩套臂式抓取无人机空基回收方法，并采用转动惯量质量投影法及拉格朗日方程法构建伸缩套臂仿射非线性模型；继而，分析了母机尾涡及常值风扰动综合作用下伸缩套臂的气动特性；其次，针对伸缩套臂三通道中扰流关联项和不可测瞬变模型扰动构成的系统集总扰动，分别设计了可在有限时间内收敛的非奇异快速终端滑模干扰观测器对其进行准确估计，并在控制器设计中予以前馈补偿；然后，为实现多重扰流下伸缩套臂快速精准空中对接，提出一种基于干扰观测的非奇异快速终端滑模对接控制方法，并分析了闭环系统稳定性。最后，通过仿真验证表明，所提出的方法能够在多重气流扰动下实现伸缩套臂的快速、精准空中对接控制，同时兼备较好的抗干扰性能。     

非匹配包线下无人机空基回收拖曳系统协调运动规划

针对非匹配包线下固定翼无人机（UAV）拖曳式空基回收过程中的浮标轨迹稳定问题，提出一种盘旋拖曳系统运动规划方法，通过实时协调母机运动和缆绳收放从而实现浮标拖曳轨道精准稳定。首先，构建气流扰动下考虑缆绳弹性和收放特性的母机-缆绳-浮标组合体多体动力学模型。继而，综合考虑拖曳系统动力学约束和母机飞行能力、缆绳收放能力等物理约束，分别建立基于母机运动和基于母机运动-缆绳收放协调的盘旋拖曳系统运动规划最优控制模型。随后，采用hp自适应Radau伪谱法将所建最优控制模型转化为非线性规划问题，并通过SNOPT求解器解算。最终，通过平静大气下母机运动规划、常值风扰下母机运动规划和常值风扰下母机运动-缆绳收放协调运动规划等典型场景下的仿真实验对比分析表明，本方法可实现一定气流扰动和拖曳系统物理约束下浮标拖曳轨道精准稳定。