变体飞机典型状态横航向动特性及控制研究

在变体飞机横航向动态稳定性控制的研究中,变前掠翼布局因存在固有的气动弹性发散和变体过程强气动耦合以及力学环境的诸多不确定因素,使本身的动态特性相当复杂.因强调隐身设计成飞翼布局,使稳定性下降,起飞、着陆性能变差,操纵和控制难度增大.针对上述独特变体结构,为成功解决变前掠翼布局飞行器的动态稳定性不足的问题,采用小扰动理论建立了三角翼状态无人机的横航向动力学特性模型,给出了动特性分析原理;设计了四个独立的升降副翼舵面代替常规操纵面;进而进行了仿真研究.仿真结果表明,无人机横航向是接近中立稳定或不稳定的;最后采用鲁棒特征结构配置的参数化方法,设计了横航向的控制律,仿真结果表明,上述控制律能够使系统快速达到期望的动态特性和稳定性要求,从而验证了上述方法的有效性且结果可信.可为变体飞机的动力学分析和飞行控制系统设计提供有益参考.     

基于特征结构配置的飞翼无人机纵向控制律设计与试飞验证

针对飞翼无人机的纵向、横侧向静稳定性较差,飞机纵向短周期模态稳定性不足等问题,以某小型飞翼无人机为对象,研究了特征结构配置方法,并提出了基于特征结构配置方法的前向增益型、误差积分型控制律设计方案;利用线性模型设计了该飞机的纵向控制律,通过非线性仿真分析、飞翼无人机的试飞验证了该控制方案的可行性与有效性;仿真及试飞结果表明:采用特征结构配置方法设计的飞行控制系统具有较好的控制效果,改善了飞翼飞机的飞行品质.     

飞翼布局无人机控制律设计

以某飞翼布局无人机为设计对象,进行内、外回路的控制律设计.在Matlab/Simulink仿真环境下,建立飞翼布局无人机线性小扰动模型,分析纵向、横航向模态特性,根据本体特性缺陷针对性地设计控制律内回路反馈支路及增益,经反馈补偿后的飞行品质满足GJB 185-1986相关要求.在内回路控制律的基础上设计外回路PI控制器实现飞机姿态控制,各控制回路的系统稳定裕度计算结果满足GJB 2191-1994要求.建立飞翼布局无人机六自由度非线性仿真模型,仿真验证结果表明所设计的内、外回路控制律能够精确控制飞机姿态且精度满足GJB 2191-1994要求,同时系统鲁棒性良好.     

展向上反角分布对飞翼布局横航向稳定性影响

横航向稳定性是影响飞翼布局飞机飞行品质的主要因素。通过添加展向三个翼段的上反角,拓展了传统无尾飞翼布局横航向稳定性设计的空间,并基于一套横航向稳定性参数高效求解工具,实现了稳定性分析的自动求解流程。通过在整个设计空间中的稳定性参数求解,参考有人驾驶飞机飞行品质规范MIL-F-8785C,获得了符合二级飞行品质的设计点,证明了无尾飞翼布局飞机在大范围的设计空间中存在着满足横航向稳定性品质的设计方案。     

飞翼无人机着陆过程中的抗侧风控制研究

飞翼布局无人机的无尾布局给横侧向的稳定与控制带来困难,尤其是下降阶段有侧风时的航迹控制.带侧滑保持航向和带偏流保持航向是常用的两种抗侧风策略,为解决稳定性控制,研究了两种策略的优缺点,并针对两种控制策略分别设计了横航向抗侧风控制器.结合飞翼布局无人机的特点,在着陆过程中的不同阶段选择不同的抗侧风策略,在进场和下滑初始阶段采用带偏流保持航向方式,在下滑到一定高度时转为带侧滑保持航向的控制策略.仿真结果表明,选择的控制策略以及设计的控制器合理、可行,满足飞翼无人机着陆阶段的抗侧风要求.     

鲁棒控制在飞翼无人机控制律设计中的应用

与常规无人机相比,飞翼布局无人机有其特殊的操稳特性;为了保证飞翼布局无人机具有良好的操稳特性,飞行控制系统的控制性能和鲁棒性能要求更高;首先介绍了基于LMI的鲁棒H2/H∞控制理论,然后采用LMI工具箱设计了某型飞翼布局无人机纵向增稳控制系统的控制律,得到增稳后的无人机纵向模态特性,同时对升降舵操纵、风切变和测量噪声进行了动态特性仿真;结果表明,设计的控制律改善了飞机的动态特性,具有良好鲁棒性能和抑制外界干扰的能力.     

模型预测控制算法在飞翼无人机中的应用研究

针对某小型无尾飞翼布局无人机,运用CFD方法分析了该无人机的气动特性,计算了气动导数及操纵导数,建立了模型预测控制算法的仿真模型,并运用动态矩阵控制算法设计了飞行控制系统。仿真分析与试飞结果表明,在具有输入输出等约束条件下动态矩阵算法优势明显,具有一定的工程应用价值。     

改进LQR技术的飞翼式无人机控制算法研究

针对飞翼式布局无人机存在纵向操稳性能差和易受阵风干扰问题,采用一种指令跟踪增广LQR方法设计了飞翼式无人机纵向姿态控制律,该方法将系统的输出误差和外界恒值阵风干扰信号引入到性能指标函数中,使设计出来的控制器不仅能保证飞行姿态的无静差跟踪,而且能有效抑制外界的阵风干扰。考虑到系统的迎角变量不易检测,结合降维观测器得到了一种准指令跟踪增广LQR方法,该方法不仅具有良好的鲁棒性和跟踪性,而且便于工程实现。最后利用获得的控制律对ICE飞翼式无人机进行仿真实验和对比分析,结果表明,采用改进后的LQR方法设计的控制器不仅改善了飞翼式无人机纵向模态的飞行品质,同时与输出反馈线性二次型跟踪方法和LQG/LTR方法相比,具有更好的控制性能。     

高超声速飞行器机体推力耦合分析与协调控制方法研究

针对某型高超声速飞行器纵向巡航段模型对高度和速度的机动控制问题,研究并比较了采用吸气式超燃冲压发动机与火箭发动机作动力的飞行控制方法上的不同;重点分析了机体-推力耦合特性、高度-速度耦合特性以及超燃冲压发动机工作状态对飞行姿态的巨大影响;提出了油门和升降舵的协调控制方法,并进行了线性二次型控制律设计．通过仿真验证了该设计方法的有效性．     

基于气动参数调节的无人机抗扰动控制算法

无人机飞行受到气动阻尼扰动,从而导致控制稳定性不好。当前采用翼型截面气动参数调节的方法进行无人机抗扰控制,以扭角以及振动方向等参数为约束指标,参数调节的模糊度较大,对气动姿态参数调节的稳定性不好。文中提出基于气动参数调节的无人机抗扰动控制算法。该算法根据无人机的飞行工况构建各阶模态对应的气弹耦合方程,在速度坐标系、体坐标系、弹道坐标系三维坐标系下构建无人机的飞行动力学和运动学模型;采用卡尔曼滤波方法实现对无人机飞行参数的融合调节和小扰动抑制处理,并采用末端位置参考模型进行无人机飞行轨迹的空间规划设计;在卡尔曼滤波预估模型中实现对动力学模型的线性化处理,采用气弹模态参数识别方法进行无人机的飞行扰动调节;将姿态控制作为内环,获得位置环状态反馈调节参数;以无人机的升力系数和扭力系数作为气动惯性参数进行飞行姿态的稳定性调节,从而实现无人机抗扰动控制律的优化设计。采集飞机的俯仰角、横滚角和航向角作为原始数据在Matlab中进行仿真分析,仿真结果表明,采用所提方法进行无人机抗扰动控制的稳定性较好,对气动参数进行在线估计的准确性较高,航向角误差降低12.4%,抗扰动能力提升8dB,收敛时间比传统方法缩短0.14 s,无人机飞行的抗扰动性和飞行稳定性得到提高。所提方法在无人机飞行控制中具有很好的应用价值。     

基于极点配置滑模方法的无人机编队控制仿真

滑模变结构控制方法是无人机控制中广泛采用的重要方法,滑模面的设计尤为困难.提出了利用Ackermann公式和非奇异线性变换矩阵,对原系统进行极点配置,通过任意配置极点,设计多输入多输出系统的滑模面,已达到促使原系统在滑模变结构控制量作用下渐近稳定的效果.为了精确控制无人机自主编队中的姿态,分别针对无人机纵向和横侧向设计相应的变结构控制器.仿真结果表明,控制器能在较短的时间内使系统跟踪误差渐近趋近于零,从而验证了控制器的有效性.     

Trajectory tracking control for a miniature fixed-wing unmanned air vehicle

This article considers the problem of trajectory tracking control for a miniature fixed-wing unmanned air vehicle (UAV). With the UAV equipped with longitudinal and lateral autopilots, we adopt a kinematic model that takes into account the fact that the heading of the UAV is controlled by its roll motion and the autopilot responses to air speed and roll control commands are first order in nature. Backstepping techniques are applied to derive air speed and roll control commands from known air speed and heading control laws that explicitly account for air speed and heading rate constraints of the UAV. Regarding inaccurately known autopilot constants, a parameter adaptation technique is used to estimate autopilot constants. High-fidelity simulation results on a six degree-of-freedom (DOF) 12-state fixed-wing UAV model are presented to show the effectiveness of our approach.     

基于浸入—不变集的三旋翼无人机高度系统自适应控制器设计

针对三旋翼无人机的研究集中于数学模型分析、简单的控制算法设计等起步阶段,且高度系统空气阻尼系数未知的情况,研究了三旋翼无人机高度系统的控制问题。基于浸入—不变集方法设计了一种控制三旋翼无人机跟踪目标高度的自适应控制器,根据三旋翼无人机飞行运动特点,推导了三旋翼无人机运动数学模型,完成了控制器参数设计和气动参数选择,采用Lyapunov分析方法对所设计控制器的渐近稳定性进行了理论证明,并对未知空气阻尼系数进行了在线估计,最终在三旋翼无人机实验平台上在环仿真实验验证。实验结果表明,高度跟踪误差在0-6秒可较好地趋于收敛,控制阻尼系数估计值也较好地收敛于合理的范围,表明该算法稳态误差小,收敛速度快,具有较好的控制性能和较强的实用性。     

A hierarchical controller for miniature VTOL UAVs: Design and stability analysis using singular perturbation theory

This paper presents the design and the stability analysis of a hierarchical controller for unmanned aerial vehicles (UAV), using singular perturbation theory. Position and attitude control laws are successively designed by considering a time-scale separation between the translational dynamics and the orientation dynamics of a six degrees of freedom vertical take-off and landing (VTOL) UAV model. For the design of the position controller, we consider the case where the linear velocity of the vehicle is not measured. A partial state feedback control law is proposed, based on the introduction of a virtual state into the translational dynamics of the system. Results from simulation and from experiments on a miniature quadrirotor UAV are provided to illustrate the performance of the proposed control scheme.     

基于VxWorks的无人机半物理仿真研究

为满足无人机飞控/导航控制律参数调节的需要,提出了新的基于MATLAB/Simulink/RTW和嵌入式实时操作系统VxWorks的无人机半物理仿真方法。建立无人机仿真模型,给出了仿真模型配置的关键技术。该系统的硬件平台采用PC/104总线的体系结构,利用RTW接口下载飞机数学模型到VxWorks操作系统。仿真结果表明,系统具有良好的性能和稳定性。     

基于TECS/H_∞的无人机侧向着舰技术研究

研究无人机侧向着舰优化控制问题,由于外部环境恶劣,造成干扰,影响安全降落。针对传统控制方法无法抑制侧风干扰和浪费能量的问题,为抑制侧风干扰并且充分利用无人机自身的能量,提高着舰精度,运用总能量控制系统(TECS)建立了无人机侧向自动着舰系统,设计了H∞输出反馈控制器,H∞控制综合设计采用包括增量线性化动力学模型、反馈控制器和权阵系数选择的增广对象模型。通过对所设计的先锋无人机的侧向自动着舰导引系统仿真表明,设计能满足着舰要求,并能有效地抑制侧风的影响,具有良好的鲁棒性能。     

基于Unity物理引擎的多旋翼无人机仿真模型

本文主要基于Unity物理引擎, 以四旋翼无人机作为研究对象, 通过建立无人机运行模式的数学模型, 进行仿真模型研究.一方面, 通过将无人机受力模型直接应用在电机对应位置, 来仿真现实物体的受力状态, 从而免去了对模型的刚体数学建模, 简化了仿真建模过程; 另一方面, 通过分析无人机运动原理, 对无人机进行动力系统和控制系统建模, 其中控制系统采用串级PID控制算法进行姿态控制; 本文最后, 通过飞行实验和测试验证了无人机模型的稳定性、有效性, 满足了四旋翼无人机的仿真要求.     

倾转式三旋翼无人机的有限时间收敛控制设计

倾转式三旋翼无人机是一种多旋翼无人机的特殊构型,其兼具单旋翼无人机与普通多旋翼无人机的特点.目前对于此类无人机的鲁棒控制设计研究成果较少,多数已有的控制方法未考虑模型参数的不确定性与外界扰动对此类无人机控制的影响.为此本文针对倾转式三旋翼无人机动力学模型存在的转动惯量未知,以及飞行中受到未知外界扰动影响的情况,基于super-twisting算法,设计了一种新型非线性鲁棒控制方法.通过基于Lyapunov的稳定性分析方法,证明了闭环系统的稳定性,并得到在有限时间内三旋翼无人机的姿态跟踪误差收敛的结果.本文中所提出的控制算法,在倾转式三旋翼无人机实验平台上进行了实时飞行控制实验,取得了较好的控制效果.     

Integral Backstepping Control of an Unconventional Dual-Fan Unmanned Aerial Vehicle

In this paper, a dynamic model of vertical take-off and landing (VTOL) aerial vehicles, having lateral and longitudinal rotor tilting mechanism, is first developed using a Newton–Euler formulation. Then an integral backstepping (IB) control technique is proposed to improve the pitch, yaw, and roll stability of the vehicle. Such control mechanisms enables the UAV to perform complex tasks that no other Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) can execute such as hover pitched. This control tactic allows the vehicle under investigation, eVader, to use the full potential of its flying characteristics enabled by the novel dual-axis oblique active tilting (OAT) mechanism, which enables it to maneuver inside obstructed environments. The potential of the eVader as a small UAV and its model are verified and then used to for autonomous take-off and landing as well as stabilizing the vehicle’s attitude. Finally, diverse simulation scenarios on attitude and position control, stabilization and autonomous take off and landing are presented.