无人驾驶航空飞行器飞行控制方法研究

发布时间：2017-09-21 21:16

  本文关键词：无人驾驶航空飞行器飞行控制方法研究

  更多相关文章： 固定翼无人机 四旋翼飞行器 飞行控制 耦合问题 非线性 欠驱动问题 不确定性 自适应控制 平滑切换控制 非线性动态逆 多模型辨识算法 航向规划算法

【摘要】：随着无人驾驶航空飞行器应用范围的不断扩大,与此相关的理论和技术已经成为研究热点。飞行控制是航空飞行器完成各种任务的前提和保障,因而自动飞行控制方法的研究也在不断的深入。针对应用范围较广的两类航空飞行器,即固定翼无人机和四旋翼飞行器,本文进行飞行控制方法的研究。作为动力学系统,两类航空飞行器的空气动力学特性中不仅存在着强烈的非线性特性和耦合问题,而且其动力学特性复杂且随环境变化势必导致不确定性的存在。与此同时,两类航空飞行器皆是四输入、六输出的欠驱动系统。针对这些问题虽然已有不少研究成果,但尚不完善,有待进一步研究。一方面,各类控制方法在各式各样的实际控制问题上各具优势却也各有局限,从而需要就实际研究问题进一步进行自动控制算法上的深入研究。另一方面,作为动力学特性复杂的运动系统,航空飞行器中存在的问题也是多样的,已有成果中多为针对某一个或两个特定问题进行研究的(比如只进行纵向运动控制研究,抑或是只进行局部线性范围内的飞行控制研究)。本文综合考虑飞行包线下或航线任务下的六自由度飞行控制问题,更全面深入地研究自主飞行控制。综合上述分析,本文研究固定翼无人机和四旋翼飞行器的空气动力学特性,归纳分析出两者在飞行包线下的飞行控制问题,包括欠驱动、非线性、耦合问题以及不确定性问题。同一问题在不同的被控对象上程度相异,例如分别存在于四旋翼飞行器和固定翼无人机中的慢时变不确定性和快时变不确定性。因此,在上述分析的基础上,针对两类飞行器各自所存在的控制问题,进行飞行控制系统研究、设计和验证。具体而言,本文的主要工作如下:一,本文考虑四旋翼飞行器和固定翼无人机的六自由度飞行运动控制问题,即不局限于姿态运动或是纵向运动的控制。众所周知,两类航空飞行器皆为四输入、六输出的欠驱动系统,文中分别依据各自动力学特性,应用时标分离原则将无人机运动方程中的动力学模型和运动学模型分别定义为含快变量的内环和含慢变量的外环,从而相应地进行两类飞行器飞行控制系统的递阶分层结构设计。在提出飞行控制系统递阶结构方案的基础上,建立无人机仿真模型、搭建基于xPC Target的实时飞行仿真系统,并通过实时仿真以及试飞实验以分别验证两类飞行控制系统递阶结构方案的可行性和有效性。二,针对四旋翼飞行器动力学特性中存在的耦合、不确定性以及非线性问题,研究四旋翼姿态控制和四旋翼飞行控制。考虑四旋翼飞行器的姿态运动耦合问题,提出一种线性解耦控制,并通过理论分析证明其可同时保证闭环系统的解耦性和稳定性。在此基础上,针对姿态运动中的不确定性和干扰问题,研究L1自适应控制。结合所提出的线性解耦控制,进行改进L1自适应控制的研究,并基于改进L1自适应控制,设计四旋翼姿态控制系统。与此同时,针对四旋翼飞行器的非线性问题,研究增益调度思想,结合所提出的线性解耦控制设计增益调度解耦控制,并基于此控制律和递阶形式的控制系统结构,设计四旋翼飞行控制系统。上述改进L1自适应控制以及增益调度解耦控制在设计思想上可归类为自适应控制,且文中通过仿真验证了基于两者分别设计的姿态控制和飞行控制系统。三,本文切实地考虑飞行任务,综合考虑固定翼无人机在飞行包线下的飞行控制问题,而不局限在局部线性范围内的飞行控制问题。首先,固定翼无人机在飞行包线下,空气动力学特性随高度速度变化而变化,且动力学模型复杂难以精确建模;此外,作为外环的运动学模型本质是非线性的。针对上述问题,在已验证的控制系统递阶结构方案的基础上,本文研究切换控制和非线性动态逆以实现大范围内的六自由度飞行控制。(i)针对动力学模型的不确定性,提出一种多模型辨识算法,(ii)针对切换瞬态差的问题,提出基于模型参考控制和神经网络切换律的平滑切换控制,并通过理论分析和仿真实例检验了辨识算法和切换控制的可行性和有效性。(iii)将所提出的多模型辨识算法和平滑切换控制分别应用于固定翼无人机的纵向动力学模型和横侧向动力学模型的控制问题中,从而实现针对动力学模型的内环控制。(iv)与此同时,无人机的运动学模型是根据运动学关系建立的,其为无人机运动方程中的可精确建模部分。考虑其所包含的非线性特性,文中应用非线性动态逆方法进行外环控制律的设计。(v)综合所设计的内环控制和外环控制,最终构建起固定翼无人机的飞行控制方法。其次,考虑固定翼无人机转弯时纵向运动和横侧向运动的耦合问题,提出无侧滑的协调转弯方法,从而规避了非协调转弯时的高度、速度损失等情况。在给定航线任务下,为能根据要求实现自主飞行、高效地规划实时目标航向,本文研究并提出一种航向规划算法。文中通过飞行仿真验证了所提出的航向规划算法以及固定翼飞行控制方法的合理性和有效性,且协调转弯下飞行控制效果良好。需要指出的是,本文中提出了针对含阶跃跳变的参考信号的可微化变换方式,通过仿真验证了该变换方式的合理性和有效性,并在文中大部分的仿真测试中应用了该变换方式。最后,论文对全文进行了总结,并对进一步的研究提出了展望。
【关键词】：固定翼无人机 四旋翼飞行器 飞行控制 耦合问题 非线性 欠驱动问题 不确定性 自适应控制 平滑切换控制 非线性动态逆 多模型辨识算法 航向规划算法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-20
• 第1章 绪论20-32
• 1.1 本论文的研究背景和意义20-23
• 1.1.1 选题背景20-21
• 1.1.2 研究意义21-23
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势23-27
• 1.2.1 无人机发展历史简述23-24
• 1.2.2 无人机飞行控制系统发展简述24-27
• 1.3 本文的主要工作和内容安排27-32
• 第2章 无人机运动系统的数学模型建立32-56
• 2.1 引言32
• 2.2 固定翼无人机的数学模型32-42
• 2.2.1 参考坐标系33-34
• 2.2.2 运动系统变量描述34-36
• 2.2.3 坐标系间的转换关系36-37
• 2.2.4 固定翼无人机运动系统的受力分析37-40
• 2.2.5 固定翼无人机的运动方程组40-42
• 2.3 四旋翼飞行器的数学模型42-47
• 2.3.1 四旋翼飞行器运动系统的受力分析42-44
• 2.3.2 四旋翼飞行器的工作原理44-46
• 2.3.3 四旋翼飞行器的运动方程组46-47
• 2.4 无人机仿真模型的建立47-54
• 2.4.1 固定翼仿真模型的建立和分析47-51
• 2.4.2 实时仿真模型的搭建51-54
• 2.5 本章小结54-56
• 第3章 飞行控制系统结构方案研究、设计及验证56-80
• 3.1 引言56
• 3.2 问题描述56-57
• 3.3 航向规划算法研究以及飞行控制中耦合问题研究57-61
• 3.3.1 航向规划算法的研究设计57-60
• 3.3.2 固定翼飞行控制中的耦合问题研究60-61
• 3.4 固定翼无人机飞行控制系统结构研究61-68
• 3.4.1 固定翼无人机飞行控制系统结构设计61-63
• 3.4.2 基于PID控制的固定翼无人机飞行控制63-68
• 3.5 四旋翼飞行器飞行控制系统结构研究68-77
• 3.5.1 四旋翼飞行控制系统结构设计68-70
• 3.5.2 基于自抗扰控制的四旋翼飞行仿真测试70-77
• 3.6 参考信号变换77
• 3.7 本章小结77-80
• 第4章 自适应飞行控制方法研究及其在飞行控制中的应用80-106
• 4.1 引言80-82
• 4.2 问题描述82-83
• 4.2.1 非线性控制问题82
• 4.2.2 不确定性和干扰问题82-83
• 4.3 线性解耦控制83-88
• 4.3.1 解耦控制律研究83-86
• 4.3.2 解耦控制系统闭环分析86-88
• 4.4 增益调度解耦控制研究88-90
• 4.4.1 工作点处线性控制问题88-89
• 4.4.2 增益调度解耦控制的提出和分析89-90
• 4.5 改进L_1自适应控制算法研究90-93
• 4.5.1 改进L_1自适应控制90-92
• 4.5.2 闭环系统分析92-93
• 4.6 基于增益调度解耦控制的四旋翼飞行控制研究和仿真93-98
• 4.6.1 姿态控制仿真93-94
• 4.6.2 梳状航线飞行仿真94-98
• 4.7 基于改进L_1自适应控制的姿态控制研究和仿真98-103
• 4.7.1 姿态运动方程99
• 4.7.2 仿真结果99-103
• 4.7.3 实物实验结果103
• 4.8 本章小结103-106
• 第5章 离散时间多变量系统的多模型辨识与平滑切换控制研究106-134
• 5.1 引言106-108
• 5.2 预备工作108-112
• 5.2.1 多变量离散时间系统的线性回归模型110-111
• 5.2.2 多变量离散时间系统的状态空间模型111-112
• 5.3 问题描述和分析112-117
• 5.3.1 基于模型误差的切换律112-113
• 5.3.2 基于数据分类器的切换律113-114
• 5.3.3 问题分析114-116
• 5.3.4 参数辨识和控制设计的假设条件116-117
• 5.4 多变量时变系统的多模型辨识算法117-123
• 5.4.1 代价函数的构造117-118
• 5.4.2 代价函数的分析118-119
• 5.4.3 基于最小几何均方值的多模型参数辨识算法119-123
• 5.4.4 多模型控制器123
• 5.5 切换控制系统的设计和分析123-127
• 5.5.1 模型参考控制律设计124-126
• 5.5.2 切换控制系统设计和闭环特性分析126-127
• 5.6 仿真示例和结果分析127-132
• 5.7 本章小结132-134
• 第6章 多模型辨识与平滑切换控制的飞控应用研究134-156
• 6.1 引言134
• 6.2 基于动态逆、多模型辨识和切换控制的固定翼飞行控制研究134-138
• 6.2.1 基于非线性动态逆的外环控制研究135-136
• 6.2.2 基于多模型辨识和切换控制的内环控制结构研究136-138
• 6.3 固定翼无人机动力学特性的多模型辨识和内环切换控制138-141
• 6.3.1 纵向动力学特性的多模型辨识和内环切换控制138-141
• 6.3.2 横侧向动力学特性的多模型辨识和内环切换控制141
• 6.4 飞行控制仿真结果和分析141-145
• 6.4.1 纵向控制仿真结果和分析141-143
• 6.4.2 横侧向控制仿真结果和分析143-145
• 6.5 协调转弯和航线任务仿真145-155
• 6.5.1 协调转弯148-149
• 6.5.2 航线任务仿真结果和分析149-155
• 6.6 本章小结155-156
• 总结与展望156-160
• 参考文献160-172
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单172-174
• 致谢174

【参考文献】

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1 熊治国,董新民;程序调参飞行控制律的研究与展望[J];飞行力学;2003年04期

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本文编号：896919