飞行器磁干扰场学习补偿飞行中的姿态控制方法研究

摘要

地磁导航系统由于其无积累误差、隐蔽性良好及价格低廉等优点常作为一种辅助导航系统被广泛应用于航空、航天及航海等工程领域，其与惯性导航系统组成的组合导航系统一直以来为世界各国完成了多项导航任务。然而，干扰磁场的存在使得磁传感器的测量值并不精确，从而影响地磁导航精度及完成任务的效果。飞行器磁干扰场学习补偿飞行是一种补偿磁场干扰的有效方法，而在此过程中对飞行器姿态有严格要求，因此研究磁干扰场学习补偿飞行中的飞行器姿态控制问题尤为重要。
　　基于Leliak模型的传统航磁补偿技术可以较为准确的建立飞行器磁干扰场模型，并通过建立含有16个参数的方程组对干扰场进行补偿，是迄今为止工程上标准的航磁补偿方法。然而，该方法没有考虑飞行器姿态运动时的三轴耦合现象、存在飞行器学习补偿飞行过程中采集的数据没有充分利用及没有考虑奇异等问题，本论文针对上述问题提出了一种基于模糊自适应卡尔曼滤波器的磁干扰场补偿方法。此外，基于趋近律思想的滑模变结构控制理论因其抗干扰性能优越、参数摄动的鲁棒性较高等优点被广泛应用于飞行器控制系统之中，本论文在传统滑模趋近律的基础上加以改进，设计了双幂次滑模趋近律及组合滑模趋近律，并分别对其进行了存在性、可达性及稳定性的理论证明，同时，分别给出了趋近速率的详细分析。本论文将飞行器姿态系统考虑为离散系统，并将改进后的两种趋近律应用到飞行器姿态控制系统中，经仿真验证其优越性及有效性。主要研究内容如下：
　　1.研究磁干扰场的组成部分，建立各部分干扰场的数学模型，研究飞行器的运动学方程及动力学方程，并给出由飞行器姿态运动引起的磁干扰场的数学模型；
　　2.分析现阶段工程上通用的Leliak模型航磁补偿方法的优点及待改进之处，提出一种新的航磁补偿方法—基于卡尔曼滤波器的航磁补偿方法，并在此基础上进一步改进，提出了模糊自适应卡尔曼滤波器补偿方法，并进行仿真验证其优越性及有效性；
　　3.研究离散系统滑模变结构控制理论及离散滑模趋近律，讨论传统离散滑模趋近律的优点及待改进之处，分别提出了离散滑模双幂次趋近律及组合滑模趋近律，并进行仿真验证；
　　4.给出飞行器姿态动力学模型的离散化形式，并对其进行俯仰通道、偏航通道及滚转通道三个子系统模型分解，并分别将双幂次滑模趋近律及组合滑模趋近律应用至飞行器姿态控制系统中，仿真分析证明两种趋近律应用于飞行器姿态控制系统中的有效性。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

1.2 磁干扰场补偿问题研究现状

1.3 卡尔曼滤波算法的研究现状

1.4滑模变结构控制算法的发展及研究现状

1.5论文主要工作及章节安排

第2章 相关技术与理论基础

2.1磁干扰场理论基础

2.2飞行器运动引起的磁干扰场

2.3 飞行器运动方程组

2.4 本章小结

第3章 基于卡尔曼滤波器的磁干扰场补偿方法

3.1以欧拉角为参数的单轴Leliak模型补偿方法

3.2基于卡尔曼滤波的磁干扰场补偿方法

3.3基于自适应模糊卡尔曼滤波的磁干扰场补偿方法

3.4仿真实验与分析

3.5 本章小结

第4章 离散系统滑模变结构趋近律设计

4.1离散滑模变结构控制基本问题

4.2 离散系统传统滑模趋近律

4.3 离散系统滑模双幂次趋近律设计

4.4 离散系统组合滑模趋近律设计

4.5 本章小结

第5章 磁干扰场学习补偿飞行中的姿态控制器设计

5.1飞行器姿态离散化模型

5.2 基于离散双幂次趋近律的滑模控制器

5.3基于离散组合趋近律的滑模控制器

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果

致谢