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随着固定翼无人机在军事打击、地理测绘、电力线巡逻等场景的运用越来越广泛,无人机回收问题得到了日益重视。特别是在快节奏的现代化军事战争中,准确而高效的无人机回收系统,能够大大提高无人机的出动效率和重复利用率,从而为战争胜利赢得先机。常见的固定翼无人机回收方式有伞降回收、滑行降落回收、撞网回收和撞线回收等,其中撞线回收作为一种新兴的无人机回收方式,具有占用场地空间小,灵活快速,综合成本较低的优点。然而,无人机撞线回收过程对制导和控制系统的精度要求较高,且对撞击角度有一定限制。为了验证无人机撞线回收的可行性,本文就无人机撞线回收的末制导及控制问题展开研究。
首先,结合无人机回收场景,在无人机刚体假设和质量不变等假设的基础上,推导了无人机运动的六自由度模型。通过对无人机回收场景的约束分析,得到了无人机撞线回收过程中的脱靶量和撞击角度约束。在推导了平面内相对运动方程之后,构建了考虑撞击角限制的滑模制导律,并探究了滑模面和趋近率的参数变化对制导效果的影响。在构建无人机和目标三维相对运动方程的基础上,推导了考虑撞击角约束的三维空间滑模制导律和比例导引律,仿真分析结果显示滑模制导律对过载的要求更低,对于初始相对运动状态改变和目标测量误差的适应性更好,基于线性海浪模型建立了海平面波动的数学模型,通过仿真分析说明滑模制导律对于海浪环境的扰动具有良好适应性。
基于自抗扰控制的基本理论,完成了无人机三通道的自抗扰姿态控制律的设计,并通过理论分析和仿真实践提出了自抗扰控制律的参数调整方法。在此基础上,进行了无人机姿态控制仿真,仿真结果表明所设计的自抗扰控制律能够快速准确地跟踪输入信号,并有效克服了通道耦合的影响。之后,建立了考虑突风和紊流的风扰模型,并将其施加到无人机姿态控制模型中。仿真表明在无人机姿态控制中,自抗扰控制器相对于传统的PID控制具有更强的抵抗外界扰动的能力。
最后,通过无人机撞线回收制导控制系统的联合仿真,验证了在风扰和海平面波动下,所设计的滑模制导律和自抗扰控制律能够满足无人机回收过程的技术指标要求,证明了所设计的制导控制系统的有效性和抗干扰能力。
首先,结合无人机回收场景,在无人机刚体假设和质量不变等假设的基础上,推导了无人机运动的六自由度模型。通过对无人机回收场景的约束分析,得到了无人机撞线回收过程中的脱靶量和撞击角度约束。在推导了平面内相对运动方程之后,构建了考虑撞击角限制的滑模制导律,并探究了滑模面和趋近率的参数变化对制导效果的影响。在构建无人机和目标三维相对运动方程的基础上,推导了考虑撞击角约束的三维空间滑模制导律和比例导引律,仿真分析结果显示滑模制导律对过载的要求更低,对于初始相对运动状态改变和目标测量误差的适应性更好,基于线性海浪模型建立了海平面波动的数学模型,通过仿真分析说明滑模制导律对于海浪环境的扰动具有良好适应性。
基于自抗扰控制的基本理论,完成了无人机三通道的自抗扰姿态控制律的设计,并通过理论分析和仿真实践提出了自抗扰控制律的参数调整方法。在此基础上,进行了无人机姿态控制仿真,仿真结果表明所设计的自抗扰控制律能够快速准确地跟踪输入信号,并有效克服了通道耦合的影响。之后,建立了考虑突风和紊流的风扰模型,并将其施加到无人机姿态控制模型中。仿真表明在无人机姿态控制中,自抗扰控制器相对于传统的PID控制具有更强的抵抗外界扰动的能力。
最后,通过无人机撞线回收制导控制系统的联合仿真,验证了在风扰和海平面波动下,所设计的滑模制导律和自抗扰控制律能够满足无人机回收过程的技术指标要求,证明了所设计的制导控制系统的有效性和抗干扰能力。