基于鲁棒预见控制的直升机着舰控制技术研究

发布时间：2020-10-18 20:49

　　 无人直升机具有可垂直起降、可定点悬停和良好的低空低速性等优点,在民用和国防领域具有重要的应用价值。舰载无人直升机能够实现空间作战、电子战、战地预警、情报侦察、探测攻击等多项作战任务。很多国家都加大对舰载无人直升机的研究力度,然而由于飞控、导引以及回收等技术的复杂性,舰载无人直升机的着舰技术还有很大的发展空间。本文针对无人直升机下降着舰阶段(从直升机到达甲板的正上方至最终成功着舰的阶段)的飞行控制问题和甲板运动预估问题进行研究,为无人直升机的着舰技术研究提供理论参考。论文针对未来甲板运动信息难以获得的问题,提出了一种基于自适应自回归(Auto Regressive,AR)模型的甲板运动预估算法,利用甲板运动历史信息,预估未来运动信息,并通过数学仿真验证其预估效果。仿真结果表明,基于自适应AR甲板运动预估器的预估误差很小,符合系统要求。将未来甲板运动信息通过前馈通道引入系统的控制输入中,可提前对当前系统的控制输入进行指导,从而消除系统的跟踪滞后和跟踪误差,以达到甲板运动补偿的目的。论文针对无人直升机下降着舰阶段的飞行控制问题,运用最优预见控制方法,分别设计直升机纵向、横向、航向、以及高度着舰控制器,各通道的控制器可分为状态反馈控制模块和前馈控制模块,解决了直升机着舰基准轨迹跟踪问题和甲板运动补偿问题。将所设计的最优预见控制器代入直升机数学模型进行仿真验证,通过与传统PID控制器的控制效果进行对比,突出了最优预见控制对于系统动态基准轨迹跟踪性能以及甲板运动补偿性能的优越性,但系统的抗干扰能力较差。论文针对存在的大气紊流干扰,在最优预见控制的基础上,提出了一种鲁棒预见控制方法,综合解决了系统环境干扰抑制问题、基准轨迹跟踪问题以及甲板运动补偿问题。基于纵向、横向、航向、以及高度通道分开设计的思想,运用所提出的鲁棒预见控制方法,设计了无人直升机着舰控制系统。将所设计的各通道控制器代入直升机数学模型进行仿真验证,与最优预见控制器的控制效果进行对比。仿真结果表明,鲁棒预见控制系统具有良好的动态基准轨迹跟踪性能和较强的抗干扰能力。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V275.1;V249.1
【部分图文】：

务载荷与飞行结构单一，飞行控制系统简单，悬停高度在 100m 以下；第二阶段为 1950 年到 1970年，此时无人直升机的最大起飞质量在 1000kg 以下，飞行速度可达 150Km/h，可完成视距内遥控飞行；第三阶段为 1980 年至今，此阶段由于无人直升机的飞控技术发展迅速，可实现一定程度上的自主飞行，并且飞行速度增加百分之三十，续航时间延长。国外目前公开的无人舰载直升机主要有美国的“火力侦察兵”、俄罗斯的“卡-137”、以及奥地利维也纳的“S100”、加拿大的 CL-227“哨兵”等[1]。“S100”舰载无人直升机是由奥地利 Schiebel 公司研制的，作为一个小型可遥控可自主飞行的舰载无人直升机，因其体积轻巧，行踪隐蔽、载荷较大等特点，被多次应用于敌空战区的情报侦察和战区监视任务。其先进的飞行控制技术、可垂直起降的飞行特点以及小巧玲珑的结构特征，尤其适用于没有航空母舰的中小舰艇海军部队。RQ/MQ-8“火力侦察兵”欲被发展为美国海军装备无人直升机的主要机型，如图 1.1 所示。该无人直升机于 2000 年 2 月开始研制，于 2006 年 6 月在舰上成功实现全自主起降。MQ-8B 型无人直升机的续航时间长达 4 小时，作战半径可达 20.4Km。该机所携带的光电、红外扫描系统和激光测距仪，不仅可对目标进行搜寻和识别，还可对其进行重要性排序。此外，该无人直升机可携带一定数量的反坦克导弹，在完成目标攻击后，可对其战损情况进行评估。

图 1.2 “卡”-137 无人直升机目前国内公开的无人直升机型号有：“Z3”、“海鸥”、“LE110”、、“翠鸟”“U8”、“V750”“博翔”、“WD100”、“FH”、“翔鸟”等。“海鸥”号作为我国首架双旋翼无人直升机，于 199年 9 首飞成功。“海鸥”号主要应用于军事情报侦察与战场监视，如图 1.3 所示，质量为 300kg其发动机功率可达 58.8kw。机上有飞行控制导航与制导控制系统，可以实现自主飞行和遥控飞行。由中航工业所研制的 U8 无人直升机于 2011 年试飞成功，这是我国技术相对较为成熟的一款无人直升机，其被广泛应用于交通疏导、农业作业、大气监测、森林防火等民用领域。

图 1.2 “卡”-137 无人直升机目前国内公开的无人直升机型号有：“Z3”、“海鸥”、“LE110”、、“翠鸟”“U8”、“V750”、“博翔”、“WD100”、“FH”、“翔鸟”等。“海鸥”号作为我国首架双旋翼无人直升机，于 1993年 9 首飞成功。“海鸥”号主要应用于军事情报侦察与战场监视，如图 1.3 所示，质量为 300kg，其发动机功率可达 58.8kw。机上有飞行控制导航与制导控制系统，可以实现自主飞行和遥控飞行。由中航工业所研制的 U8 无人直升机于 2011 年试飞成功，这是我国技术相对较为成熟的一款无人直升机，其被广泛应用于交通疏导、农业作业、大气监测、森林防火等民用领域。
【参考文献】

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本文编号：2846795