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《南京航空航天大学》 2017年
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飞翼布局无人机自主着舰控制关键技术研究

王鑫  
【摘要】:飞翼气动布局无人机具有有效载荷大、滞空时间长、气动阻力小、对空间要求小等优点,非常适合在航空母舰上使用,各航空强国一直致力于其关键技术和应用方面的研究。美国是目前世界上唯一在航空母舰上的实现了飞翼布局无人机弹射起飞和自主着舰的国家。法国、英国、德国、欧盟等国家和地区也完成了多种飞翼布局无人机的研制和试验。我国仅有一款同类无人机进行了飞行试验,还没有真正意义上的舰载无人机,因此研究飞翼布局无人机自主着舰技术,早日实现无人机在航空母舰上的自主起降成为我国军事技术发展的当务之急,具有重大研究意义。舰载机在着舰过程中,由于空速小而受航母运动和复杂舰尾流影响大,且着舰落点受甲板特定区间范围严格限制,导致自主着舰难度高。因此要求制导律能够实现对动目标甲板的精确跟踪;控制律能够实现对复杂着舰环境产生扰动的抑制,从而确保着舰控制的精确性与鲁棒性。本文针对以上飞翼无人机自主着舰制导与控制的关键问题,提出了新型制导与控制律算法,并在无人机着舰仿真环境下进行了验证。论文的主要研究内容包括:1)提出了一种基于标称着舰轨迹的制导与控制一体化控制系统架构。针对样例无人机的特点和对着舰的要求,该系统架构由标称轨迹、制导和控制三个层次组成。轨迹层为最外层,按自主着舰各阶段要求,生成标称航线并进行飞行模态管理;制导层为中间层,根据标称轨迹或动态轨迹,分别按滑模制导律或比例导引制导律控制无人机飞行轨迹,使其具有更强的机动跟踪能力;控制层为最内层,采用抗干扰自适应参考模型控制律,提高无人机的抗干扰能力。采用这种控制系统构架,能够实现无人机在航空母舰在运动和舰尾流扰动复杂环境下的精确着舰。2)提出了一种基于高阶积分的滑模制导律。这种制导律集成了积分和高阶滑模控制的优点,通过引入饱和函数改进控制器稳态特性,具有抑制抖振、鲁棒性强的优点,适用于无人机等非最小相位系统控制。只要满足摄动有界的条件,该滑模制导律就能在各类不确定性和外部干扰下,实现无人机对机动目标的稳定跟踪。3)提出了一种基于多变量模型参考自适应理论的抗干扰飞行控制律。针对匹配和不匹配干扰项,设计了抗干扰模型参考自适应状态控制器,包括关联矩阵、理想匹配模型、LDU分解和自适应律等。该控制律的优点是响应快、对各种不确定干扰类型均具有很强的抑制作用,能够同时满足系统的稳态响应和瞬态响应性能指标。最后,在着舰飞行仿真环境下,引入了复杂舰尾环境和甲板运动等各类不确定性和外部干扰因素,对提出的标称轨迹、制导律与控制律进行了综合数值仿真验证。仿真结果表明,所设计的整体控制架构合理可行、制导与控制律设计有效,对样例无人机自主着舰制导与控制的效果满足设计要求。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V279;V249.1

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