固定翼垂直起降飞行器跟踪控制研究

发布时间：2020-11-04 02:11

　　 垂直起降(Vertical Take-off and Landing,VTOL)飞行器同时具有固定翼战斗机和直升机的独特优势,具有重要的军事战略意义和民用应用价值,自问世以来就受到世界各航空大国的高度关注,一直是航空航天领域的研究热点。控制技术作为垂直起降飞行器的核心技术,也是保证安全飞行和完成飞行任务的关键。然而,VTOL飞行器的机体复杂布局和复杂多变的飞行环境使得飞行器表现出非线性、强耦合、非最小相位等特性,为系统控制技术研究带来了极大的挑战。因此,本文以VTOL飞行器跟踪控制问题为研究课题展开了深入研究,主要工作如下:首先,针对VTOL飞行器系统输入存在不确定性干扰时的轨迹跟踪问题,提出将自适应浸入与不变(Adaptive Control via System Immersion and Manifold Invariance,简称自适应II控制)和滑模变结构控制方法相结合的控制策略。为了克服干扰对系统的不良影响,采用自适应II干扰估计律对干扰进行实时估计,并且在控制器中进行补偿,增强了系统的稳定性和跟踪控制精度。通过设计干扰补偿函数,确保干扰估计误差系统指数收敛。基于自适应II干扰估计律,设计了滑模跟踪控制器。利用Lyapunov稳定性理论给出了闭环系统的稳定性证明。仿真结果表明在输入受扰情况下,所设计的控制器能够保证系统输出快速、稳定地跟踪给定参考轨迹。其次,对于输入受到干扰的VTOL飞行器系统轨迹跟踪控制中的干扰抑制问题,提出将最优控制、非线性干扰观测器和滑模变结构控制方法相结合的控制策略。设计了非线性干扰观测器,实现了对系统输入干扰的实时准确估计;通过设计观测器增益函数,保证观测误差系统指数收敛。基于非线性干扰观测器,设计了鲁棒跟踪控制器,增强了系统的稳定性,实现了对给定期望轨迹的有效跟踪。利用Lyapunov稳定性理论给出了闭环系统的稳定性证明。仿真结果验证了所提出的控制方案具有良好的轨迹跟踪性能和干扰抑制能力。再次,针对VTOL飞行器的定点降落问题,提出基于图像的视觉伺服控制方法。该方法将基于图像的控制方法引入到VTOL飞行器控制器设计中,采用双目视觉模型,该模型无需获取未知特征点的深度信息,模型维度低,易于计算。利用机载摄像头获取图像信息,结合反步法设计了视觉伺服控制器,基于图像信息引导VTOL飞行器定点降落在期望位置。由于所采用的视觉模型中不包含深度信息,从而避免了未知点深度信息的测量或估计,改善了系统的控制精度。利用李亚普诺夫理论证明了在所提出控制器作用下VTOL飞行器闭环系统渐近稳定,图像误差渐近收敛为零,实现了基于图像的视觉伺服定点控制。最后,针对VTOL飞行器系统部分状态难以实时、准确测量问题,提出了基于有限时间观测器技术的输出反馈控制方案。该方案设计了有限时间输出反馈观测器,对难以实时准确测量的状态进行在线估计以重构全状态反馈控制系统;基于所设计的有限时间观测器,将状态观测值引入所设计的控制器中进行补偿,基于有限时间控制方法设计了输出反馈控制律,完成了系统的无速度传感器控制,改善了系统的响应速度和可靠性。最后,给出的输出反馈系统稳定性分析和仿真结果验证了该方案的有效性和合理性。综上所述,本文针对VTOL飞行器跟踪控制问题,进行了深入研究,为控制系统设计的关键技术突破做出了积极的理论探索。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V249.1
【部分图文】：

[11-12]。历经几十年的艰难发展过程，迄今为止，世界上具有代表性的VTOL飞行器有三种：英国“鹞”式战斗机、前苏联雅克-141战斗机和美国F-35B联合攻击机(如图1-1

雅克141战斗机

- 2 -图1-3 F-35B 联合攻击机Fig.1-3 F-35B joint strike fighter一领域的研究起步较晚，目前尚未开展大规模、系统化的研家垂直起降技术迅速崛起和国内航母技术日益成熟的大背景行器的相关研究已经是大势所趋、刻不容缓。因此，目前术的相关研究具有重要的理论意义和工程参考价值。事领域具有无可替代的价值，从民用角度看，VTOL飞行器在务，例如地震救灾、边远地区急救、缓解地面交通等方面都。随着世界各国先进航空科学技术的发展，垂直起降技术的的未来。
【参考文献】

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本文编号：2869451