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无人机航路与飞行控制律评估技术

作　者: 李荣
导　师: 陈谋
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 无人机航路评估动态逆控制结构奇异值遗传算法飞行控制律评估航路跟踪航路特征
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

现代战争对无人机作战能力要求越来越高，航路规划是体现无人机是否具备自主飞行、智能决策的关键技术之一。然而现行有关航路规划问题的研究还存在着很大局限性和不足，因此为了克服航路规划中存在的各种问题，需要对无人机规划航路进行评估。此外，无人机在整个任务执行过程中，控制律性能直接影响到无人机是否能够按照规划航路实现有效跟踪，进而决定无人机任务完成的能力，因此需要深入研究无人机飞行控制律评估问题。论文主要工作如下：首先，通过研究无人机运动学和动力学特性，建立了无人机飞行运动的非线性数学模型。通过分析无人机战场环境，建立了无人机航路威胁的数学模型。其次，针对无人机多输入多输出非线性系统，应用动态逆控制方法为无人机设计了航路跟踪控制器。通过对已知的规划航路进行跟踪控制完成航路跟踪性能评价。同时基于无人机飞行运动学方程完成对已知的规划航路特征信息的提取。在无人机航路跟踪过程中，通过对典型航路威胁解算，得出航路安全性能评价结果。基于航路跟踪性能评价结果、航路特征提取信息和安全性能评价评价结果，提出了无人机航路评估方案。接着，针对无人机实际飞行过程中所面临的模型不确定问题，研究了两种无人机飞行控制律评估方法。一种是基于结构奇异值理论的评估方法，另一种是基于遗传算法的评估方法。所研究的两种评估方法相对于传统基于网格的飞行控制律评估方法而言，能够克服不确定参数增加所带来的维数灾难，减少评估算法运行时间。最后，根据所研究的无人机航路与飞行控制评估方法，设计开发了无人机航路与飞行控制评估仿真平台。仿真结果表明，所开发的仿真平台能够完成无人机航路评估任务和控制律评估任务，研究成果具有较好的工程应用前景。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-19
  1.1 研究意义及背景  15-16
  1.2 航路评估技术研究现状  16-17
  1.3 飞行控制评估技术研究现状  17-18
  1.4 本文研究的主要内容  18-19
第二章航路与飞行控制评估系统相关模型建立与分析  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 无人机非线性数学模型  19-24
    2.2.1 基本假设  19
    2.2.2 无人机坐标系  19-20
    2.2.3 气动力和力矩的计算  20-21
    2.2.4 气动力参数和气动力矩参数的简化  21
    2.2.5 推力力矩的计算  21-22
    2.2.6 无人机状态方程描述  22-24
  2.3 与航路评估相关的战场威胁模型  24-33
    2.3.1 攻击威胁模型  24-27
    2.3.2 探测威胁模型  27-31
    2.3.3 地形威胁模型  31-32
    2.3.4 气象威胁模型  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章无人机规划航路跟踪控制技术  34-44
  3.1 引言  34
  3.2 非线性动态逆控制律设计  34-41
  3.3 仿真实例  41-43
  3.4 本章小结  43-44
第四章无人机规划航路评估技术  44-59
  4.1 引言  44
  4.2 基于 B 样条曲线离散航路点的拟合  44-47
    4.2.1 B 样条曲线  44-45
    4.2.2 飞行航路 B 样条曲线拟合  45-47
  4.3 无人机航路跟踪约束条件  47-49
    4.3.1 航路任务约束  47-48
    4.3.2 无人机自身性能约束  48-49
  4.4 无人机航路特征提取  49-52
    4.4.1 基于航路离散序列特征提取  49-51
    4.4.2 基于航路连续曲线特征提取  51-52
  4.5 无人机航路可飞性验证  52-54
  4.6 无人机航路评估  54-55
  4.7 仿真与分析  55-58
  4.8 本章小结  58-59
第五章无人机飞行控制律评估  59-71
  5.1 引言  59-60
  5.2 飞行品质评估准则  60-62
    5.2.1 不稳定特征值准则  60-61
    5.2.2 线性稳定储备准则  61
    5.2.3 平均相位速度准则  61
    5.2.4 绝对幅值准则  61-62
  5.3 基于μ方法的飞行控制律评估方法  62-70
    5.3.1 结构奇异值  62-63
    5.3.2 结构奇异值的计算  63-64
    5.3.3 无人机不确定模型线性分式表达  64-67
    5.3.4 飞行控制律评估  67-68
    5.3.5 评估实例  68-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章基于遗传算法的无人机飞行控制评估  71-87
  6.1 引言  71
  6.2 基于多目标优化的遗传算法  71-73
    6.2.1 遗传算法  71-72
    6.2.2 基于多目标优化的遗传算法  72-73
  6.3 无人机不确定模型  73-75
  6.4 基于遗传算法的无人机飞行航路评估  75-76
  6.5 无人机飞行控制评价准则选择与运用  76-86
    6.5.1 不稳定特征值准则与适应度函数表示  76-79
    6.5.2 线性稳定储备准则与适应度函数表示  79-82
    6.5.3 平均相位速率准则与适应度函数表示  82-84
    6.5.4 绝对幅值准则与适应度函数表示  84-86
  6.6 本章小结  86-87
第七章无人机飞行航路评估仿真平台实现  87-97
  7.1 引言  87
  7.2 仿真平台基本架构  87-89
    7.2.1 无人机航路评估软件整体框架  87
    7.2.2 航路特征提取模块  87-88
    7.2.3 航路可飞性验证模块  88
    7.2.4 安全评估模块  88
    7.2.5 航路跟踪评估模块  88-89
  7.3 仿真平台基本简介  89-93
    7.3.1 航路评估软件基本配置  89-90
    7.3.2 航路评估仿真平台关键技术  90
    7.3.3 航路评估平台软件界面  90-93
  7.4 仿真平台测试与验证  93-96
    7.4.1 航路评估平台测试环境  93-94
    7.4.2 航路评估平台基本功能测试  94-96
  7.5 本章小结  96-97
第八章总结与展望  97-98
  8.1 本文工作总结  97
  8.2 不足与展望  97-98
参考文献  98-103
致谢  103-104
在学期间的研究成果及发表的学术论文  104

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