基于改进非线性制导律的无人机航迹跟踪算法研究

针对固定翼无人机在侧风条件下的二维航迹跟踪问题,在非线性制导律的基础上,提出一种自适应引导长度的航迹跟踪算法。首先建立了引入风扰后的无人机运动学模型,对定引导长度的非线性制导律进行理论分析,并讨论了其抗风性能;然后结合无人机自身性能和飞行速度,提出自适应引导长度的方法,并在侧向加速度指令中引入侧偏距积分以抵消侧风干扰,同时针对无人机在航点切换时航迹误差偏大的问题,设计了一种圆弧航点切换策略;最后在侧风干扰的情况下进行数值仿真,结果表明,该方法能有效抑制侧风干扰,在航点切换处具有较高的跟踪精度,实现了固定翼无人机在侧风扰动条件下对期望航迹的精确跟踪。

无人机无动力滑行横向自适应非线性制导律设计

当无人机失去推力后,可将其视为滑翔机.在这种情况下,长周期模态起主导作用,这使得无人机调整飞行速度达到稳定状态的时间变长,从而导致横纵向制导之间相互存在较为明显的影响.更重要的是无动力情况下,无人机对风扰动变得更加敏感.针对这一特殊状态,如何使无人机跟踪某条给定的下降螺旋线,本文提出了一种横向自适应非线性制导方法.该方法首先利用几何关系推导出横向制导律;其次将其转化为一个二阶粘性阻尼振荡系统,而该系统的特性与其自然频率有关;然后为改善制导系统的收敛时间以及抗干扰能力,设计了一种制导律的自适应方案;最后将所提出的方法用于无人机失去推力后螺线下降的横向路径跟踪过程.仿真结果表明,与非自适应制导方法相比,无论有或无常值风扰动,所提出的方法均可提高系统的跟踪精度.

无动力无人机跟踪下滑直线自适应非线性制导律设计

以无人机失去推力后,如何使其跟踪一条给定下滑直线为研究背景,提出了一种跟踪下滑直线的自适应非线性制导方法。首先根据几何关系推导得到跟踪下滑直线的横纵向制导律,并证明了所得制导律的稳定性;然后考虑到无动力状态下横纵向制导之间的影响较为明显,为了提高系统的跟踪精度以及抗风扰动能力,将所得制导律转化为一个二阶黏滞阻尼振荡系统,从改善该振荡系统收敛速率的角度出发,设计了制导律的自适应方案。仿真结果表明,在无风和有风扰动的条件下,所提出的方法均可提高系统的跟踪精度。

基于非线性制导的四旋翼轨迹跟踪控制

四旋翼是一种欠驱动、强耦合的可垂直起降的飞行器,为了实现其能够以设定速度跟踪空间轨迹,设计了一种基于非线性制导算法的轨迹跟踪控制方法;该方法分为了导引与控制两部分组成,导引部分以任务轨迹与期望速度为输入量通过非线性制导算法输出当前四旋翼的期望加速度,控制部分以得到的期望加速度为输入量采用串级PID算法对四旋翼进行姿态控制,从而实现四旋翼保持设定速度对任务轨迹的跟踪;仿真结果表明,所提方法能够实现四旋翼对复杂任务轨迹的精确跟踪,二维复杂轨迹跟踪距离偏差不超过±0.6 m,速度偏差不超过2 m/s;三维复杂轨迹除了受自身控制力限制的飞行段外,跟踪距离偏差基本控制在±4 m以内,速度偏差不超过2 m/s。

UAV无动力螺线下滑纵向自适应非线性制导律设计

针对无人机失去推力后如何跟踪一条螺线下滑路径的纵向制导问题,提出了一种纵向自适应非线性制导方法。该方法首先利用几何关系推导出纵向制导律;其次将其转化为一个二阶黏性阻尼振荡系统,并由此证明了制导律的稳定性;然后为改善制导系统的收敛时间以及抗干扰能力,设计了一种制导律的自适应方案;最后将所提出的方法用于无人机失去推力后螺线下降的纵向路径跟踪过程。仿真结果表明,与非自适应制导方法相比,无论有或无常值风扰动,所提出的方法均可提高系统的跟踪精度。

连续非线性制导律离散实现的二分寻优法

研究了非线性制导律离散实现的二分寻优法，用该方法获得的离散制导律适合于导弹在大气层外飞行．

过载和攻击时间约束下的非线性最优制导方法

考虑导弹过载受限条件下,对以期望时间为攻击目标的非线性最优制导问题进行了研究。首先,建立了非线性最优制导问题的理论模型,基于庞特里亚金极大值原理和饱和函数方法建立了最优轨迹的最优性条件。其次,根据最优性条件和哈密尔顿轨迹参数化方法,建立了最优轨迹的参数化微分方程组,使得通过数值积分即可生成从飞行状态到最优制导指令映射关系的数据集。然后,通过前馈神经网络对上述映射关系进行近似,实现了非线性最优制导指令的毫秒量级实时生成。最后,通过数值仿真验证了所提非线性最优制导指令生成方法的有效性。

考虑自动驾驶仪延迟的非线性最优末制导方法

针对过载受限和自动驾驶仪延迟等条件下的非线性最优末制导指令在线生成方法进行研究。首先,基于庞特里亚金极大值原理,建立了目标静止的非线性最优末制导问题的最优性条件,并利用饱和函数将过载约束嵌入最优性条件。其次,应用参数化方法使得通过数值积分即可快速生成满足最优性条件的飞行轨迹数据集。然后,利用该数据集训练神经网络,使其拟合弹-目相对运动状态到最优制导指令的映射关系,实现过载约束下制导指令的毫秒量级在线生成。针对自动驾驶仪的延迟响应,通过微分补偿法估计神经网络下一时刻输出的制导指令以实现快速跟踪。最后,仿真结果表明,本文所提出方法针对静止目标与小机动目标都能够在线生成最优制导指令。

高速攻击型无人机非线性鲁棒制导律研究

高速攻击型无人机是一种自杀式的精确制导武器,具有许多巡航导弹不具备的优点,是当前世界各军事强国研究的热点。为了使高速攻击型无人机能精确攻击各类具有较高机动性的目标,提出了一种非线性混合H2/H∞鲁棒制导律。由于混合H2/H∞控制具有H2控制的优良品质和H∞控制的鲁棒性,这种制导律对目标机动及其它不确定性干扰不敏感。耦合非线性汉密尔顿-雅可比偏微分不等式组是否有解直接关系到非线性混合H2/H∞鲁棒制导律的实现。现对耦合非线性汉密尔顿-雅可比偏微分不等式组进行了适当的等价转化并求解,得到了一组解析解。通过仿真研究,该制导律被证明具有较好的制导精度并对目标机动等不确定性干扰具有较好的鲁棒性。

反舰导弹的非线性变结构制导律研究

为了对抗敌方远程舰空导弹的拦截,提高突防能力,反舰导弹的飞行弹道应采用大空域变轨弹道.基于虚拟目标的概念,建立了导弹-虚拟目标的空间追逃模型,设计了一种考虑末端落角约束的非线性变结构制导律.先设置不同的空间虚拟目标,然后,利用所设计的制导律引导反舰导弹去追踪虚拟目标,反舰导弹即可实现各种各样的大空域变轨弹道.只要虚拟目标的参数设置合适,导弹在飞行中各项性能指标均能满足要求.弹道仿真表明:所设计的制导律是很有效的.

带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模制导律

本文利用先进的终端滑模控制和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种非奇异、本质上连续和有限时间收敛的带攻击角度约束的制导律,它可用于打击固定、匀速运动和机动目标.为了在有限时间内高精度地获得给定的攻击角度并不出现奇异问题,非奇异快速终端滑模函数被用于设计滑模面.快速终端滑模函数被用于设计趋近律,在整个到达阶段系统轨迹可以从任意初始状态快速地收敛到滑模面并形成本质上连续的制导律.由于非奇异、本质上连续和全局快速收敛的特性,和传统的终端滑模制导律相比,本文方法可以在更短时间内以更高精度的攻击角度对目标实施打击.大量的仿真算例表明了本文制导律的有效性.

非奇异快速终端滑模及动态面控制的轨迹跟踪制导律

针对飞行器跟踪预设轨迹的问题,提出非奇异快速终端滑模和角度约束的轨迹跟踪制导律。通过引入虚拟目标点,提出参考轨迹曲率半径的期望视线角约束条件,建立带有视线角约束并考虑自动驾驶仪动态特性的轨迹跟踪数学模型。为了保证在有限时间内跟踪预设轨迹并避免出现奇异问题,采用快速非奇异终端滑模和动态面控制方法进行制导律设计。推导出视线角误差和轨迹跟踪误差之间的数学关系,并利用Lyapunov稳定性准则证明轨迹跟踪误差最终有界任意小。与弹道成型轨迹跟踪制导律进行仿真对比,仿真结果表明所提出的制导律具有良好的跟踪性能及鲁棒性。

无人机航迹跟踪抗侧风制导算法

无人机作为航空飞行器的一种,具有诸多应用价值,精确的航迹跟踪是其完成飞行任务的必要条件。在无人机飞行控制系统的制导外回路,实现一种具有抗风性能的横向非线性制导算法(NLG),基于航迹参考点实时测算无人机侧向加速度,并根据无人机力学方程得到滚转角指令,实现无人机的航迹跟踪。该制导算法只需确定合适的距离参数L,即可实现较为精确地制导,加入反馈环节以得到改进的闭环非线性制导算法。在侧风条件下进行仿真分析,结果表明:改进后的非线性制导算法是正确的,其具有良好的抗风性能。

自适应引导长度的无人机航迹跟踪方法

为保证无人机安全稳定的飞行,实现高精度的航迹跟踪,基于引导点的非线性制导算法,提出了一种引导长度自适应的航迹跟踪方法。首先建立无人机运动学模型,依此对非线性的制导算法进行理论分析与试验验证,建立无人机飞行速度与引导长度之间的关系。之后引出引导长度自适应的航迹跟踪方法,详细讨论方法的具体实现过程。最后通过各种情况下的仿真对比试验,验证所提出方法的有效性。仿真结果表明,所提出的方法能较精确地跟踪各种复杂航迹,同时在较大的初始偏差和航路点临时切换的情况下能稳定、快速地收敛到期望航迹,更好地满足各种实际飞行任务的需求。

风场环境下的巡飞弹航迹跟踪运动补偿算法

针对巡飞弹航迹跟踪过程受风速、风向影响的问题,在风场环境下,通过建立运动模型,研究并提出了基于变增益虚拟参考点和系统外回路动态补偿的非线性制导律算法。根据制导律参数中固定距离限制的问题,设计了变增益虚拟参考点并分析了航迹跟踪的稳定性条件,针对系统外回路滞后特性设计了动态反馈补偿因子,同时给出了参数计算方法及运动约束条件。通过数学仿真方法分别对无风及有风条件下的制导律进行验证,考虑到实际飞行试验困难的问题,基于vc++搭建了半实物实时仿真平台,通过硬件在回路仿真,验证了航迹跟踪性能。结果表明:改进制导律可有效克服风干扰、具有较高的跟踪精度且易于工程实现。

无动力无人机进场阶段三维Dubins路径跟踪方法

针对无人机进场阶段失去推力后,如何使其跟踪一条给定进场路径这一特殊情况,提出了一种3维Dubins路径跟踪方法,该方法首先利用Dubins曲线解决无人机故障位置任意性及其路径求解实时性高的路径规划问题;然后为了跟踪所生成的3维Dubins路径,设计了一种基于切换平面的自适应非线性制导方法,其中切换平面用来解决圆弧制导与直线制导之间的过渡问题,而自适应规则降低横纵向制导律之间的相互影响,从而提高了系统的跟踪精度。最后通过仿真实验验证了该方法的有效性。

四旋翼航迹跟踪控制与仿真

四旋翼是一种运用广泛的飞行器,轨迹跟踪控制是四旋翼的研究热点。为了实现四旋翼对轨迹的精确跟踪,基于非线性制导算法进行轨迹跟踪控制。建立了四旋翼运动学模型,并介绍了基于非线性制导算法的轨迹跟踪控制。建立了非线性制导算法的带宽与速度和导引长度的关系,通过计算四旋翼姿态控制器带宽与期望航迹带宽,并根据香农采样定律求解出了非线性制导算法导引长度的取值限制范围。仿真结果表明,采用在取值限制范围内的导引长度,能够稳定快速地收敛到期望航迹,拐弯处航迹误差小于1.5 m,此时,四旋翼有最优的航迹跟踪效果。

空中无人加油自主对接导航制导与控制

空中自主加油技术能大大提高无人机的航程航时,在军用和民用上都有着十分重要的意义。受编队气动干扰、模型不确定性、头波效应、阵风干扰等因素影响,空中无人加油的对接段是所有阶段中精度要求最高和控制难度最大的一个阶段,其导航制导与控制技术是目前研究的难点和热点。本文针对无人-无人空中自主加油场景,深入研究了软管式空中加油自主对接段的鲁棒抗扰导航制导与控制技术并进行了飞行试验验证。首先,为实现受油机加速对接时高度控制不出现振荡,采用总和能量法设计纵向制导律以实现对接末段高度和速度的协调控制;其次,为提高风干扰下的对接控制精度,分别针对加油机和受油机在不同飞行阶段的轨迹跟踪特点采用L1非线性制导思想设计了横向制导律,并采用鲁棒伺服方法设计内环姿态控制律,将积分环节引入角速率控制回路提升系统型别以更好抑制外界扰动对系统的影响;然后,基于单阶段深度学习目标检测算法YOLOV4开发了锥套识别与定位算法,在强光、云雾等复杂条件下进行采样和训练以大大提升视觉系统的鲁棒性,并采用扩展卡尔曼滤波算法将图像定位信息与RTK定位信息进行融合用于相对导航;最后,设计了无人机空中加油自主对接模拟飞行试验方案,在最大程度提高对接成功率的基础上降低安全风险,并通过飞行试验验证了本文提出的鲁棒抗扰导航制导与控制方案的有效性。

基于直接升力的空中加油对接飞行控制

为解决传统空中加油对接过程中受油机纵向轨迹跟踪控制存在时间滞后的问题,提出一种基于直接升力的空中加油对接飞行控制方法。采用非线性L1制导的方法生成横纵向加速度指令,设计2种直接升力方案对受油机纵向轨迹控制加以改进,采用动态逆方法对姿态回路设计,通过扩张状态观测器对动态逆内回路进行补偿。仿真结果表明:采用的2种方案均能消除纵向轨迹跟踪的时间滞后,实现受油机纵向轨迹的快速响应,完成空中加油的成功对接。

考虑导弹自动驾驶仪动态特性的带攻击角度约束制导律

针对打击机动目标时带攻击角度约束的制导问题,采用扩张状态观测器和动态面控制方法设计一种考虑自动驾驶仪动态特性的制导律.考虑期望视线角的变化率正比于未知的目标加速度,采用扩张状态观测器对未知目标加速度进行估计.为了避免奇异问题,并克服非匹配不确定项对系统性能的影响,采用非奇异终端滑模和动态面控制方法进行制导律设计.与传统的将目标加速度设为零的制导律相比较,仿真结果表明所提出的制导律具有良好的制导性能.