固定翼無人機(jī)的軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、固定翼無人機(jī)在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，由于其續(xù)航能力強(qiáng)、巡航速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)，逐漸成為無人機(jī)領(lǐng)域中重要的研究內(nèi)容。軌跡跟蹤控制是無人機(jī)完成巡航和目標(biāo)追蹤等任務(wù)的基礎(chǔ)，軌跡跟蹤效果的優(yōu)劣直接影響著無人機(jī)的飛行安全和任務(wù)的完成效果。然而固定翼無人機(jī)的模型具有非線性、欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合等特性，且在飛行過程中容易受到外界擾動的影響以及飛行環(huán)境十分復(fù)雜，增加了軌跡跟蹤控制的難度。
　　固定翼無人機(jī)軌跡跟蹤控制包括三部分內(nèi)容：

2、導(dǎo)航，根據(jù)無人機(jī)的飛行環(huán)境及優(yōu)化指標(biāo)，規(guī)劃出無人機(jī)的飛行軌跡；制導(dǎo)，根據(jù)無人機(jī)的飛行狀態(tài)得到姿態(tài)和速度的期望值；控制，參考制導(dǎo)過程中得到的姿態(tài)速度期望值并調(diào)節(jié)無人機(jī)推力及舵機(jī)偏角的大小，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)底層系統(tǒng)的控制。本文針對于固定翼無人機(jī)的軌跡跟蹤控制問題，以四元數(shù)作為無人機(jī)姿態(tài)描述參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的姿態(tài)控制器和速度控制器，通過軌跡跟蹤控制器為姿態(tài)和速度控制器提供參考輸入信號，并通過粒子群算法對復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)的飛

3、行軌跡進(jìn)行優(yōu)化，使得無人機(jī)實(shí)現(xiàn)對動態(tài)優(yōu)化路徑的跟蹤。
　　首先，以四元數(shù)作為固定翼無人機(jī)姿態(tài)的描述參數(shù)建立系統(tǒng)模型，避免了歐拉角描述姿態(tài)時(shí)存在的奇異現(xiàn)象和復(fù)雜的三角運(yùn)算。根據(jù)無人機(jī)的運(yùn)動特點(diǎn)，將其數(shù)學(xué)模型分為平動方程和轉(zhuǎn)動方程。
　　然后，在分析無人機(jī)模型的基礎(chǔ)上，采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的反步滑模法設(shè)計(jì)姿態(tài)和速度控制器，使得在考慮固定翼無人機(jī)飛行過程中存在的模型不確定性和外界擾動的情況下，無人機(jī)的實(shí)際姿態(tài)和速度能夠達(dá)到期望值

4、。通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)中的擾動進(jìn)行估計(jì)，并將擾動估計(jì)值進(jìn)行反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對于擾動的抑制。
　　最后，針對固定翼無人機(jī)的欠驅(qū)動特性，根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前的飛行位置和期望位置，設(shè)計(jì)虛擬控制量并將虛擬控制量轉(zhuǎn)化為無人機(jī)姿態(tài)和速度的期望值。采用跟蹤微分器對期望四元數(shù)進(jìn)行微分得到無人機(jī)的期望角速度。為規(guī)劃固定翼無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的飛行路徑，在考慮無人機(jī)自身的攻角和側(cè)滑角以及地勢受約束的情況下，為使無人機(jī)盡可能避開威脅區(qū)且飛行路徑和飛行高度得