无人机无动力应急返航控制技术研究

摘要

无人机无动力应急返航作为整个飞行控制系统的重要组成部分，是一项针对无人机在飞行过程中突然失去动力而采取的自主返航技术，能够有效提升无人机失去动力后的生存能力。由于返航过程情况复杂、技术尚不成熟，因此开展无动力情况下无人机返航能力、航迹规划和控制方法的研究显得非常重要，需要针对无动力返航的航迹规划和控制律设计等关键问题进行详细研究。
　　首先，根据空气动力学与刚体动力特性建立无人机六自由度非线性数学模型，并在稳定平飞状态将其线性化，作为控制部分的设计模型基础。
　　其次，提出了无动力返航的设计思路，完成航迹规划，整个返航过程依照设计要求划分为准备、调整和回收三个阶段，并完成了各个阶段相应航点的计算。利用Matlab/Stateflow工具对航迹建模，得到的航迹模型作为控制律的输入，能够动态调整控制参数，使无人机跟踪轨迹完成返航。随后，对无人机无动力返航的初始条件进行研究，分析无动力返航需要满足的约束条件，确定了无动力无人机当前飞行参数与着陆距离的关系，并得到其在不同条件下的返航能力。
　　再次，针对返航过程的抗干扰性和稳定性要求，引入状态观测器抑制干扰，并基于动态矩阵控制理论设计控制律并建模。将其与升降舵加阻力方向舵的预测控制模型进行仿真验证和比较，结果表明所设计的控制律比后者更好地满足了返航过程控制要求。
　　最后，在 Matlab/Simulink环境下，结合航迹模型和控制模型完成整个无动力返航系统的建立和仿真，并对返航过程中风扰动对系统的影响进行仿真验证，仿真结果表明系统具有良好的动态特性和控制品质，满足航迹规划和控制律设计的各项指标。

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选题的依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 研究的内容及思路

1.3 论文章节安排

2 无人机对象的分析与建模

2.1 无人机建模方法

2.2 假设条件

2.3 常用坐标系

2.4 无人机对象的数学模型

2.5 无人机数学模型的线性化

2.6 本章小结

3 无人机无动力返航航迹规划与建模

3.1 无动力返航过程各阶段的划分

3.2 基于Stateflow的航迹建模

3.3 本章小结

4 无人机无动力返航过程的条件分析

4.1 无动力返航初始条件的分析

4.2 无人机进出调整阶段的条件分析

4.3 本章小结

5 无人机无动力返航控制律设计

5.1 动态矩阵控制的工作原理

5.2 带有状态观测器的动态矩阵控制律设计

5.3 控制律的建模与仿真

5.4 本章小结

6 无人机无动力返航系统的仿真验证

6.1 无人机无动力返航控制系统整体结构

6.2 无人机无动力返航控制系统的仿真

6.3 抗扰动性能仿真验证

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 研究展望

参考文献

附 录：攻读工程硕士学位期间发表的部分科研成果

致谢