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无人机自主编队飞行控制系统设计方法及应用研究

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摘要

本文主要进行了无人机自主编队飞行控制系统的设计方法及应用研究。针对无人机编队飞行的实际特点,首先讨论了编队飞行系统的建模问题,在单机运动方程和平面相对运动方程的基础上建立了编队飞行系统空间模型,然后讨论了气动耦合效应对编队飞行队列中飞机的影响。接着,分别研究了模糊控制,自适应控制及滑模控制理论在编队飞行控制中的运用,其中考虑到编队飞行遭遇的不确定因素,分别设计了编队飞行自适应控制系统,编队飞行滑模控制系统,并进行仿真分析,对编队飞行控制系统设计方法进行了深入研究。本文的主要内容包括以下几个方面:
　　 1、研究了编队飞行系统建模问题。将相邻两机的相对运动方程投影到平面气流坐标中,给出了编队飞行平面的相对运动方程。在单机模型的基础上,将编队队列中单机的飞行状态量和相邻两机之间的相对运动方程投影到第I架飞机气流坐标系中讨论,建立了编队飞行系统空间模型。
　　 2、研究了气动耦合效应对无人机编队飞行的影响问题。用马蹄涡模型简化编队飞行中飞机机翼产生的涡流,建立编队飞行涡模型。讨论编队队列中相邻两机之间的气动耦合效应,具体计算了由于第i-1架飞机的涡流在第i架飞机上产生的诱导速度及气动力增量。将气动效应影响加入到第i架飞机的自动驾驶仪,修正了原有的自动驾驶仪,并进行了数值仿真。分析比较有无气动耦合影响的两种系统的仿真结果后,可以看出考虑气动耦合影响的系统在邻机飞行状态发生改变的情况下,系统响应变化要比无气动耦合影响的系统大。
　　 3、研究模糊控制在编队飞行控制中的应用。将模糊控制理论用于编队飞行控制系统,以空中加油任务为背景,建立了长僚机双机编队系统的模糊控制系统,对僚机的速度、高度和偏航角通道进行控制,仿真结果显示,此模糊控制系统能达到编队飞行的要求,验证了模糊控制在编队飞行控制中的有效性。
　　 4、研究了具有不确定因素的编队飞行系统的自适应控制问题。以编队飞行平面相对运动方程和自动驾驶仪为基础,针对编队飞行中会遇到内部或外界不明扰动影响的特点,分别讨论了编队飞行系统参数未知和模型未知两种情况下的自适应控制问题。当编队飞行系统模型未知时,将队列中飞机所受到的不确定项分为时变函数和常值函数来分别研究设计自适应估计律和自适应控制器,仿真结果显示,在模型未知的情况下,自主编队飞行系统达到稳定的时间比气动力增量参数未知的情况要长。
　　 5、研究了非线性编队飞行系统空间模型的滑模变结构控制问题。针对编队飞行系统空间模型的非线性程度和不确定性的影响,设计了编队飞行滑模变结构控制系统。只需知道相邻一架飞机的飞行状态的情况下,滑模控制器可对编队队列中任意一架飞机进行控制。由于实际编队飞行中不确定量上界具有不可知性,研究设计了一种基于自适应估计的滑模变结构控制系统,仿真结果表明,该具有不确定量的滑模控制系统能实现稳定编队飞行,编队飞行空间模型适用于研究编队队列中的飞机做机动飞行运动时的自主编队飞行控制问题。
　　 综上所述,本文对自主编队飞行控制系统进行了比较系统的研究,针对编队飞行中存在不确定因素影响的特点对控制方法进行了详细研究讨论,仿真效果显示出各种控制方法在编队飞行控制系统中的应用特点,得出了有益结论。

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