小型固定翼无人机制导系统控制器设计

摘要

固定翼无人机因其独特的优势，广泛应用于军用和民用领域。高品质的飞行控制系统是无人机能完成复杂任务的关键。制导控制系统是飞行控制系统的核心子系统之一，是无人机实现航迹追踪或目标跟踪的关键。因此，对控制和制导技术的研究具有十分重要的意义。目前，主流的制导控制系统设计方法是将制导和控制的设计问题分解为外环的制导和内环控制的设计问题。主要研究工作是对制导控制器和姿态控制器进行设计。姿态控制器设计基于 PID控制算法，而制导控制器设计主要基于滑模变结构控制算法。
　　本文首先对现有的两种无人机制导控制系统的设计方案进行了总结，确定了设计方案。总结了无人机姿态控制和制导技术的研究现状，重点分析了 PID控制算法和滑模控制算法原理。然后对比分析了无人机不同的转弯方式。重点分析了无人机的协调转弯运动特性，在此基础上推导了滚转通道与俯仰通道的控制律。为了解决控制的振荡问题，引入了内环角速率反馈。为了便于角速率反馈的引入，将角度控制转换成角速度的控制。在PID控制算法和无人机空气动力学特性基础上，设计了滚转通道和俯仰通道的姿态控制器。最后研究了基于滑模控制的无人机导航算法。介绍了直线导航与定点盘旋导航的定义。根据理想的无人机侧向偏离误差纠正的运动过程，设计了滑模面并进行了稳定性证明。通过设计的滑模面和系统运动状态方程推导了导航控制律。针对控制律的抖振问题，采用了一个连续控制量来替代开关控制量。设计的控制律的稳定性采用李雅普诺夫理论进行了证明。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

2 无人机控制算法研究

2.1 PID控制算法

2.2 滑模变结构控制算法

2.3 本章小结

3 无人机姿态控制器设计

3.1 无人机横侧向姿态控制器设计

3.2 无人机俯仰角控制器设计

3.3 实验结果及分析

3.4 本章小结

4 基于滑模控制的无人机制导控制器设计

4.1 相关工作原理

4.2 导航控制器设计

4.3 实验结果及分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目