无人机自主着陆高度控制系统设计研究

无人机自主着陆是无人机任务执行后顺利回收的重要阶段;论文根据固定翼无人机着陆滑跑的特点,设计了无人机着陆滑跑的下滑高度轨迹及高度控制回路;在已知无人机着陆性能和空气动力学模型的情况下,根据无人机飞行任务的需求,研究了直线下滑段的轨迹设计,利用指数拉平方法设计了末端拉平段的轨迹,并结合PID控制技术对无人机的纵向俯仰控制回路以及整个无人机高度控制回路进行了建模和详细研究,利用MATLAB仿真技术对设计的控制方案的性能进行了详细分析,获得了相应的关键设计参数;对设计的高度控制回路方案的数学仿真和基于FlightGear飞行环境模拟系统的半物理仿真验证了所设计的自主着陆高度控制系统的可行性,具有一定的参考实用价值。     

无人机的自动着陆控制

无人机的自动着陆控制是无人机控制中的一个难点,文中给出了一种无人机自动着陆的控制方法,并在某型无人机上得到了应用.基于无人机真实的风洞试验数据,利用MATLAB建立了无人机自动着陆的线性化模型和非线性模型,设计了无人机自动着陆导引控制方案及控制律,并在实际飞行试验中得到了验证,最终的飞行试验结果表明了所设计的自动着陆控制律能满足自动着陆的要求,并具有很好的静态和动态特性.     

无人机着陆抗风鲁棒H_∞控制器设计研究

无人机在进场着陆过程中存在低空风切变和外界各种不确定性干扰等因素,根据无人机精确进场自动着陆性能要求,利用线性矩阵不等式凸优化方法设计鲁棒H∞控制器,在满足自动着陆系统轨迹跟踪及速度控制性能的同时,能够有效抑制低空风切变及外界不确定性干扰,将所设计的自动着陆控制律在低空风切变大气干扰下进行验证,仿真结果表明,无人机着陆下滑及拉平轨迹响应具有良好的动态跟踪性能和鲁棒性,验证了该设计方法的正确性和有效性。     

伪逆法在无人机安全着陆控制中的应用

鉴于着陆控制律设计相对飞机普通模态控制律设计较复杂的情况,由于飞翼布局无人机着陆过程中出现左升降舵卡死。针对这一特定故障采用伪逆法进行了着陆控制律重构设计。充分利用伪逆法结构简单且无需改变原控制律的优点,在非线性建模中,由于飞翼布局无人机的特殊气动布局和结构特点,考虑了纵向与横侧向的耦合性。同时,利用Matlab/Simu-link仿真工具进行了线性仿真和非线性验证,仿真结果验证了无人机仍能够实现安全着陆,且重构设计方法简单有效。     

基于视觉引导的无人机自动着陆控制方法

由于无人机定位导航精度低，导致传统无人机自动着陆控制方法存在控制效果不佳的问题，为此提出基于视觉引导的无人机自动着陆控制方法。分别从无人机运动和飞行环境两个方面，构建数学模型，在该模型下，利用视觉引导技术通过实时图像采集、处理、目标检测、距离测量等步骤，规划自动着陆轨迹。设计并安装无人机自主着陆控制器，进而实现无人机的自动着陆控制。实验结果表明，应用设计方法能够沿着规划路线实现精准着陆，控制误差较小，由此证明设计方法的控制效果良好。     

基于粒子群算法的自动着陆非线性PID控制器

针对线性PID控制器在自动着陆控制中难以达到满意的控制效果的缺点,在分析各增益参数与偏差信号之间非线性关系的基础上,设计了一种P/I/D各部分参数根据控制与误差之间的调节规律连续变化的非线性PID控制器。为了选择合适的非线性PID控制器的权系数,利用粒子群算法对其各参数进行寻优整定。针对某型飞机自动着陆系统,给出了设计的一般步骤。仿真结果表明,与线性PID控制器相比,设计的非线性PID控制器能更准确地跟踪期望轨迹并满足着陆指标的要求,并具有良好的动态品质。     

基于光流的四旋翼直升机鲁棒自主着陆控制

针对小型四旋翼无人机自主着陆问题,提出了一种基于光流的高度估计方法和基于信号补偿的高度鲁棒控制器设计方法.首先从通用光流运动模型出发,采用奇异值分解方法求解无人机线速度和深度的比值,通过对垂直速度和高度比值积分获得高度数据.其次,将考虑地效影响和其它不确定性的高度通道非线性模型分解为标称线性模型和等效扰动两部分,并设计基于信号补偿的高度鲁棒控制器,该控制器由标称控制器和鲁棒补偿器组成,其中标称控制器使得标称闭环系统达到期望的高度跟踪特性,鲁棒补偿器用于抑制等效扰动的影响.最后从理论上证明了该控制器可以保证高度跟踪误差在有限时间内收敛至指定的原点邻域内.四旋翼无人机自主着陆的实验结果验证了所提出的基于光流的高度估计和鲁棒控制方法的有效性.     

飞行器无动力下滑技术研究

下滑轨迹优化设计是实现高高空无动力飞行器自主着陆的关键技术之一。飞行器无动力下滑的过程可以分为初始下滑段和自主着陆段两个阶段,对两个阶段进行制导策略优化设计,可在初始下滑段采用在线自适应生成跟踪轨迹,自主着陆段采用改进的Barton算法实现对着陆轨迹的优化。根据经典的PID算法,飞行控制器实现了纵向高度控制、速度控制以及横侧向纠偏控制。利用Simulink环境对制导策略和控制器结构及参数进行了仿真验证。仿真结果表明,轨迹设计合理,飞行器跟踪良好,满足着陆指标要求。     

飞翼布局无人作战飞机自动着陆控制系统设计

飞翼飞机是一种先进的飞行结构.但由于气动外形的特殊,无垂直尾翼的飞翼飞机在着陆阶段,极易受到侧风的干扰,而使其偏离航线;根据飞翼飞机的气动参数,建立了飞翼飞机的非线性数学模型,设计了飞翼无人机的着陆轨迹和控制方案;针对飞翼飞机的特性,采用不同于常规飞机的控制律,设计了抗侧风自动着陆控制系统;设计的控制系统经过非线性仿真试验,结果显示,飞机抗侧风着陆性能达到了设计要求,从而验证了设计方案的可行性.     

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.     

A Vision-Based Guidance System for UAV Navigation and Safe Landing using Natural Landmarks

In this paper a vision-based approach for guidance and safe landing of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is proposed. The UAV is required to navigate from an initial to a final position in a partially known environment. The guidance system allows a remote user to define target areas from a high resolution aerial or satellite image to determine either the waypoints of the navigation trajectory or the landing area. A feature-based image-matching algorithm finds the natural landmarks and gives feedbacks to an onboard, hierarchical, behaviour-based control system for autonomous navigation and landing. Two algorithms for safe landing area detection are also proposed, based on a feature optical flow analysis. The main novelty is in the vision-based architecture, extensively tested on a helicopter, which, in particular, does not require any artificial landmark (e.g., helipad). Results show the appropriateness of the vision-based approach, which is robust to occlusions and light variations.     

Improvement of Shipboard Landing Performance of Fixed-wing UAV Using Model Predictive Control

This paper investigates automatic UAV carrier landing using model predictive control that considers carrier deck motions. With dynamic models of a medium-altitude, long-endurance UAV and an aircraft carrier, the proposed guidance and control approach takes the relative geometry between the UAV and the carrier deck into account for safer shipboard landings. Automatic carrier landing is performed sequentially by two types of control systems. A linear quadratic regulator with an integral term is applied up to a few seconds before touchdown followed by a model predictive controller. At this time, optimal control input sequences over a certain time horizon are calculated in real time by predicting the motions of the carrier deck and the UAV. Numerical simulations are performed for a UAV and a carrier with heave motion to verify the feasibility of the proposed approach.     

Automating Human Thought Processes for a UAV Forced Landing

This paper describes the current status of a program to develop an automated forced landing system for a fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV). This automated system seeks to emulate human pilot thought processes when planning for and conducting an engine-off emergency landing. Firstly, a path planning algorithm that extends Dubins curves to 3D space is presented. This planning element is then combined with a nonlinear guidance and control logic, and simulated test results demonstrate the robustness of this approach to strong winds during a glided descent. The average path deviation errors incurred are comparable to or even better than that of manned, powered aircraft. Secondly, a study into suitable multi-criteria decision making approaches and the problems that confront the decision-maker is presented. From this study, it is believed that decision processes that utilize human expert knowledge and fuzzy logic reasoning are most suited to the problem at hand, and further investigations will be conducted to identify the particular technique/s to be implemented in simulations and field tests. The automated UAV forced landing approach presented in this paper is promising, and will allow the progression of this technology from the development and simulation stages through to a prototype system.     

无人直升机着陆控制的视觉图像特征处理算法

基于视觉的无人直升机着陆是无人直升机着陆控制中的主要发展方向,视觉图像处理算法将直接影响无人直升机姿态估计以及着陆控制精度.提出了一种应用于无人直升机着陆控制的视觉图像特征处理算法,对目标灰度图像进行阈值处理,边界跟踪,利用凸四边形几何特点提取特征点,最后将所有特征点标记出来.实验结果显示提出的算法即能满足实时处理速度要求,也能满足较高的特征点定位精度要求.这一方法可用于无人直升机着陆控制的相对位置姿态估计.     

机载着陆设备综合测试系统的研制

为实现仪表着陆系统(ILS)、甚高频全向信标台(VOR)、微波着陆系统(MLS)等着陆设备的信号模拟、原位功能检查、性能功能检测、故障诊断和系统功能评估,通过分析各种着陆设备的性能参数和信号格式要求,采用信号处理、总线控制与测试、虚拟仪器、故障诊断与仿真、人工智能及数据库等技术,以PC104为核心,构建满足基层级、中继级、基地级需求的着陆设备综合测试系统的硬件和软件平台,解决了基于DSP/FPGA的DDS低频调制信号产生、基于频率合成和矢量调制的射频信号产生等关键问题;经测试,系统综合性好,自动化程度高,适应三级维修体制对着陆设备的测试深度的不同需求。     

无人机滑降着陆控制系统设计

针对滑跑型无人机回收阶段对下滑角跟踪以及触地时姿态角的高要求,设计了一种无人机滑降着陆控制方式。首先,给出了滑降控制系统结构图,在此基础上分别进行了滑降横侧向控制器和滑降纵向控制器的设计,具体进行了直线航迹和圆航迹的控制方法以及下滑段的高度控制量算法的分析。然后,进行了滑降着陆控制模式设计,将滑降过程分解为降高、平飞、下滑以及拉平四个阶段分别进行设计,并在拉平阶段给出了俯偏航距仰角控制量与离地高度的关键技术公式。仿真结果表明,该无人机滑降着陆控制系统平飞段偏航距小于5m,接地时偏航距约为0m;平飞段高度跟踪误差为0m,下滑段高度跟踪误差2m;落地姿态角为0.4度。具有高度控制误差小、偏航距离短、落地姿态角安全性高的优点,能满足滑跑无人机对滑降阶段的控制要求。     

菱形翼布局无人机自抗扰直接升力着陆控制

针对采用传统的着陆控制方法时,菱形翼布局无人机存在着陆俯仰姿态角为负,对无人机着陆不利的情况,提出一种采用直接升力进行着陆的控制方案,可以实现着陆轨迹与着陆姿态之间的解耦,使得无人机可以以较好的姿态进行着陆.采用自抗扰控制(ADRC)方法分别设计了无人机非线性直接升力控制律以及着陆轨迹跟踪控制律.仿真结果表明:采用ADRC设计的非线性直接升力控制律可以实现直接升力控制的3种模式,并且对气动参数摄动具有较强的鲁棒性;采用直接升力着陆控制方法可以使得无人机以有利的姿态进行着陆,同时在近地面突风作用下,无人机依然可以以较好的姿态进行着陆.     

基于CFD方法的固定翼无人机着陆控制建模

为了实现固定翼无人机低速平稳着陆的目的,以某型无人机为例,阐述以计算流体动力学(CFD)方法求解固定翼无人机气动力系数的过程,即构建飞机几何模型、设定计算域并划分网格、基于非耦合隐式求解器求解在K-E湍流模型下各飞行状态的气动系数.提出以较大迎角低速滑翔降落的着陆控制方法,基于求解的气动特性,计算飞机降落前的理想状态,并基于状态反馈的纵向控制律实现着陆控制.在Simulink环境中,基于AeroSim工具箱构建仿真程序,验证了方法的有效性.     

三维虚拟地形仿真技术辅助无人机起降和飞控

大型固定翼无人机在起飞降落阶段,需要由人工进行遥控飞行。传统的由"二维地图+虚拟仪表+机载摄像机"组成的飞控系统,普遍存在数据反馈不够直观,操控体验差等问题。通过采用三维虚拟地形仿真技术,建立了精确的机场周边及任务区域三维虚拟地形,并且将现实中的无人机飞行数据实时同步到虚拟场景中的虚拟无人机上。为无人机操控员提供了一种更加直观、方便的操控视角。在因为天候不佳或其它原因失去机载摄像机画面时,可以大幅降低操控失误的风险。此功能以辅助设备的形式接入现有飞控系统,无需对现有系统进行改造。独立性强,部署方便。