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舰载无人机移动撞网回收技术及复飞决策研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 撞网回收控制方法

1.2.2 制导律研究现状

1.2.3 舰载机复飞决策

1.3 研究需要解决的问题

1.4 本文结构安排

第二章 无人机建模及对象特性分析

2.1 无人机的数学模型

2.1.1 参考坐标系

2.1.2 无人机运动的假设条件

2.1.3 无人机的数学模型

2.1.4 基于S-function的无人机仿真模型

2.2 无人机特征点配平及非线性模型的线性化

2.2.1 配平原理及方法

2.2.2 线性化原理及方法

2.3 对象特性分析

2.3.1 模态特性分析

2.3.2 基本气动特性分析

2.3.3 横侧向的滚转不利偏航

2.4 本章小结

第三章 撞网回收过程的制导与控制方案

3.1 撞网回收过程的中制导方案

3.2 撞网回收过程的纵向末制导方案

3.2.1 比例导引律

3.2.2 基于比例导引的纵向末制导律

3.3 撞网回收过程的横侧向末制导方案

3.3.1 基于比例导引的横侧向STT制导律

3.3.2 基于比例导引的横侧向BTT制导律

3.3.3 滚转不利偏航解决方案

3.4 演示验证样机试飞与分析

3.4.1 配平舵面及纵向导引比

3.4.2 滚转不利偏航试飞分析

3.4.3 BTT与STT试飞数据比较

3.4.4 BTT法实际撞网试验

3.5 本章小结

第四章 基于目标蛇型机动补偿及考虑自动驾驶仪动态特性的最优制导律

4.1 蛇型机动的模型描述

4.1.1 零控脱靶量

4.1.2 蛇型机动的模型描述

4.2 基于目标蛇型机动补偿的比例导引制导律

4.2.1 制导模型的建立

4.2.2 基于目标蛇型机动补偿的比例导引制导律

4.2.3 线性二次型最优控制方法

4.3 考虑自动驾驶仪动态特性的最优制导律

4.3.1 制导模型的建立

4.3.2 基于制导系统一阶滞后补偿的最优制导律

4.4 舰船运动分析

4.4.1 海洋和舰船的运动分析

4.4.2 制导信息的滤波与估计

4.5 基于目标蛇型机动补偿的制导律仿真分析

4.5.1 比例导引纵向补偿制导律仿真分析

4.5.2 比例导引横侧向补偿制导律仿真分析

4.5.3 蒙特卡洛仿真分析

4.6 本章小结

第五章 舰载无人机复飞决策技术研究

5.1 复飞边界准则

5.1.1 复飞区下边界准则

5.1.2 复飞区上边界准则

5.2 复飞操纵设计

5.2.1 复飞过程中升降舵的操纵

5.2.2 复飞过程的转弯点

5.3 复飞区边界仿真分析

5.3.1 复飞转弯点的仿真分析

5.3.2 复飞区下边界的生成

5.4 地面复飞决策系统

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作的总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果及发表的学术论文

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摘要

撞网回收是舰载无人机回收的主要方式之一。舰载无人机移动撞网回收的过程复杂、环境恶劣多变,不仅需要高精度的导航系统与制导策略,而且要保证在无法安全完成撞网回收时,舰载无人机能及时准确地复飞,避免撞舰事故的发生。本文以舰载无人机为对象,研究了移动撞网回收过程的导航策略与末制导律,制定了适用于舰载无人机的复飞策略,并进行了仿真分析及飞行实验。本文的主要工作如下:
  首先,本文建立了无人机的六自由度刚体动力学数学模型,搭建了Matlab/Simulink下的非线性仿真环境。通过对样机的配平线性化,分析了样机的基本气动特性和模态特性。针对样机的滚转不利偏航现象,加入了滚转角速率到方向舵的反馈,并进行了仿真分析。
  其次,本文根据撞网回收过程的任务特点,设计了分段导航策略。针对撞网回收末端,设计了基于比例导引的纵向及横侧向末制导律。通过样机试飞实验,着重对比了横侧向侧滑转弯方式和倾斜转弯方式跟踪机动目标的能力。
  再次,本文通过对舰船在海上的运动形式分析,建立了蛇型机动制导模型,在常规比例导引律的基础上,推导了基于目标蛇型机动补偿的最优制导律。考虑到自动驾驶仪的动态特性,给出了基于自动驾驶仪一阶滞后的制导律。并且,通过仿真分析了最优制导律的性能。
  最后,本文分析了影响舰载无人机撞网回收安全的因素,制定了舰载无人机的复飞边界准则,并通过仿真描绘了舰载无人机的复飞区下边界。提出了基于预测制导的舰载无人机复飞决策系统,并介绍了该系统的工作流程。
  研究结果验证了本文设计的撞网回收方案的可行性,为实现中低海况下舰载无人机的移动撞网回收提供了有价值的技术参考。

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