固定翼無人機的軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、固定翼無人機在現(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、巡航速度快、性價比高等特點，逐漸成為無人機領(lǐng)域中重要的研究內(nèi)容。軌跡跟蹤控制是無人機完成巡航和目標(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的飛行安全和任務(wù)的完成效果。然而固定翼無人機的模型具有非線性、欠驅(qū)動、強耦合等特性，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。
　　固定翼無人機軌跡跟蹤控制包括三部分內(nèi)容：

2、導(dǎo)航，根據(jù)無人機的飛行環(huán)境及優(yōu)化指標(biāo)，規(guī)劃出無人機的飛行軌跡；制導(dǎo)，根據(jù)無人機的飛行狀態(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)無人機推力及舵機偏角的大小，實現(xiàn)無人機底層系統(tǒng)的控制。本文針對于固定翼無人機的軌跡跟蹤控制問題，以四元數(shù)作為無人機姿態(tài)描述參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了基于擴張狀態(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)境下無人機的飛

3、行軌跡進(jìn)行優(yōu)化，使得無人機實現(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)時存在的奇異現(xiàn)象和復(fù)雜的三角運算。根據(jù)無人機的運動特點，將其數(shù)學(xué)模型分為平動方程和轉(zhuǎn)動方程。
　　然后，在分析無人機模型的基礎(chǔ)上，采用基于擴張狀態(tài)觀測器的反步滑模法設(shè)計姿態(tài)和速度控制器，使得在考慮固定翼無人機飛行過程中存在的模型不確定性和外界擾動的情況下，無人機的實際姿態(tài)和速度能夠達(dá)到期望值

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