无人机自主防撞关键技术与应用分析

无人机与有人机在多机种和不同合作程度下共享空域飞行是未来的发展趋势,防撞问题成为制约无人机飞出隔离空域的关键挑战。结合现有飞机防撞体系,从无人机防撞特殊性出发分析无人机自主防撞需求,提出无人机自主防撞系统的框架,归纳分析两大主要关键技术——感知探测技术和防撞算法,以及二者的不同应用范围和主要问题,在此基础上提出无人机自主防撞管理体系架构,总结探讨无人机自主防撞关键技术的发展趋势。     

一种机载导航设备航向校正方法

针对中小型无人机(UAV)导航设备中的航向校正问题,提出了一种通过机载光电吊舱和全球定位系统(GPS)分别测量地面控制站相对于无人机的方位角,来确定无人机航向角偏差的"回头看"校正方法,用于校正中小型无人机的磁力计输出的航向数据。在测试试飞试验中,利用该校正方法对无人机航向进行校正后,将机载光电吊舱对目标定位的方位误差由校正前的2.5°减小到0.5°,距离误差由校正前的3.0km减小到0.5km,验证了该方法对无人机航向校正的可行性和有效性。     

一种电动无人机的激光射束驱动系统

介绍和分析了国内外无人机无线能量传输系统,在此基础上提出一种用于中小型电动无人机的由地面能量发射机和机载能量接收机组成的激光射束驱动系统,并规划相应的工作模式,以实现电动无人机飞行工作状态下的无线充电。此系统将极大地提高电动无人机的续航能力。     

基于状态重构的吸气式高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对吸气式高超声速飞行器参数不确定弹性体模型,仅考虑速度、高度和俯仰角速度可测的情况,提出了一种基于状态重构的鲁棒反演控制器设计方法。首先,将被控对象模型表示为严格反馈形式,分别采用动态逆和反演设计实际控制律和虚拟控制律;其次,引入反正切跟踪微分器来简化虚拟控制律求导运算,并用于对弹道角和攻角进行状态重构;最后,为了保证反演控制器的鲁棒性,基于非线性-线性跟踪微分器,设计了一种新型非线性干扰观测器,可实现对模型不确定项的精确估计和补偿。仿真结果表明,所提策略取得了较高的状态重构精度,控制器能够克服模型不确定项的影响,且能保证速度和高度对参考输入的稳定跟踪。     

视觉导引的无人直升机自主着舰系统仿真

对于无人直升机着舰问题,提出了基于视觉导引的自主着舰方案;建立了一套无人直升机自主着舰仿真系统;建立了舰船运动模型,无人直升机六自由度非线性全量模型;设计了着舰特征图案,通过摄像机模型获取舰船上的特征图案;提出快速四点算法实现3D位姿估算,并以此构建视觉信息识别系统,识别直升机与舰船相对运动参数;通过分层控制思想,实现基于视觉信息导引着舰。在此基础上形成仿真闭环,对无人直升机定点自主着舰的全过程进行仿真验证。     

复合翼无人机加速段纵向飞行特性分析与控制设计

针对高成本的大型复合翼(VTOL)无人机(UAV)从悬停到巡航的纵向加速飞行转换阶段开展气动/控制综合研究。基于叶素动量(BEMT)理论建立斜向入流下旋翼气动载荷计算模型,并与CFD算例对比验证其准确性。分析出旋翼系统引起整机焦点前移产生静不定效应,其中心应置于全机重心之后。仿真对比不同加速策略下的加速特性、控制效能余量等指标,给出-5°俯仰角,定推进油门的加速策略。考虑控制输入冗余,作动器动态响应不同,引入虚拟控制量的概念,采用频域分解的效能分配准则实现静态分配。考虑建模误差,设计L1自适应姿态控制框架实现动态控制增稳,拉偏仿真验证其鲁棒性。飞行试验验证了所述建模方法、加速策略及控制律框架的有效性。      

基于多准则决策的作战飞机顶层方案优选

提出了综合应用灰色关联投影法、加权求和法、加权求积法和基于理想点决策法来实现对无人作战飞机顶层方案的优选,并着重介绍了多准则决策方法及实施过程。该方法采用不同的公度化方法处理相应的评价指标,对多目标、多层次指标体系进行赋权,利用权重将评价指标联系在一起,并将四种准则决策法进行综合,依据决策者的偏好,最终实现顶层方案的优选。最后,通过制空无人作战飞机顶层方案优选的例子,证实了所提方法是可行且有效的。     

基于自适应的变形式陆空机器人转域过程飞行控制

针对一种变形式四旋翼陆空两栖机器人,研究空陆转域飞行控制方法,为实现陆空机器人从空中到地面的连续机动奠定了基础。建立了等效于变形式四旋翼陆空两栖机器人的飞行及转域系统结构模型和动力学模型,针对转域变形过程中转动惯量的改变及复杂飞行环境中负载变化和机体质量受损问题,在设计了基于线性二次型调节器（LQR）算法的姿态控制器和基于比例-积分-微分（PID）算法的高度控制器基础上,设计加入模型参考自适应系统（MRACS）解决模型参数不确定性问题。利用Adams/MATLAB联合仿真,首先得到空陆转域变形角度的极限值,然后对比仿真有无自适应补偿器的控制效果验证了该控制方法的高效性。研制了转域飞行样机,对空陆转域变形角度极限值和飞行控制方法进行了试验验证。     

Collision free 4D path planning for multiple UAVs based on spatial refined voting mechanism and PSO approach

In this paper, a four-dimensional coordinated path planning algorithm for multiple UAVs is proposed, in which time variable is taken into account for each UAV as well as collision free and obstacle avoidance. A Spatial Refined Voting Mechanism(SRVM) is designed for standard Particle Swarm Optimization(PSO) to overcome the defects of local optimal and slow convergence.For each generation candidate particle positions are recorded and an adaptive cube is formed with own adaptive side length to indicate occupied regions. Then space voting begins and is sorted based on voting results, whose centers with bigger voting counts are seen as sub-optimal positions. The average of all particles of corresponding dimensions are calculated as the refined solutions. A time coordination method is developed by generating specified candidate paths for every UAV, making them arrive the same destination with the same time consumption. A spatial-temporal collision avoidance technique is introduced to make collision free. Distance to destination is constructed to improve the searching accuracy and velocity of particles. In addition, the objective function is redesigned by considering the obstacle and threat avoidance, Estimated Time of Arrival(ETA), separation maintenance and UAV self-constraints. Experimental results prove the effectiveness and efficiency of the algorithm.     

变质心飞行器伺服机构模糊PI控制技术研究

概述了飞行器质心调节机构的技术特点,针对某质心调节机构的伺服控制需求,设计了一种模糊PI控制器,建立了质心调节机构数学模型,完成了仿真分析与实验研究。仿真与实验研究结果表明,模糊PI控制器结合了PI控制器高精度和模糊控制器控制快速、适应性强的特点,使系统具有较快的响应性能和较高的控制精度,同时有较强的鲁棒性。研究成果对于提高变质心飞行器的机动性能有着重要的意义。