无人机无动力应急着陆控制技术研究

摘要

发动机是无人机正常飞行的动力来源，一旦发动机故障，无人机将无法再获得动力。研究发动机故障后无人机的应急着陆飞行控制技术可以最大限度地保障无人机飞行的安全性，避免失去动力造成的巨大损失。本文以样例大展弦比无人机为对象，研究了发动机故障后无人机无动力飞行和着陆过程中的制导与控制问题，主要内容包括：
　　针对无动力初始位置及航向不确定的特点，将无动力应急着陆飞行过程划分为航向调整段、返航段、能量管理段和着陆段四个飞行阶段，分析影响无动力飞行过程能量消耗的因素，制定各阶段的能量飞行策略，解决了无动力应急着陆能量分配的问题。
　　在充分考虑无人机航向与位置相对着陆机场的约束关系后，应用平面几何位置解析的方法，设计了无动力返场着陆的二维水平轨迹剖面，解决了无人机水平位置的引导问题。针对无动力飞行过程轨迹跟踪与速度控制严重耦合的问题，以样例无人机的无动力下滑能力为依据，采用平衡下滑的原理，设计无动力飞行的高度轨迹剖面，既保障了无动力高度轨迹跟踪的精确度，又确保了无人机的飞行安全。
　　应用能量守恒的原理，分析了无人机的返场能力，并制定轨迹跟踪的制导策略。采用鲁棒伺服及根轨迹等控制方法设计了高度轨迹跟踪与水平位置跟踪控制律，解决了无人机无动力飞行过程中的三维轨迹跟踪问题。
　　最后，在MATLAB数值仿真环境下，模拟无人机在飞行过程中发动机故障，对本文所设计的应急着陆飞行方案进行仿真验证。结果表明：在无动力初始状态不确定、风扰动等情况下，所设计的无动力应急着陆飞行轨迹、制导律及控制律能够将无人机安全地引导至机场返场着陆。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2背景与意义

1.3国内外研究现状

1.4论文研究内容

第二章 对象建模与特性分析

2.1引言

2.2样例无人机简介

2.3无人机刚体运动建模

2.4对象特性分析

2.5本章小结

第三章 无动力飞行阶段划分与能量管理策略

3.1引言

3.2无动力飞行阶段划分

3.3无动力飞行的能量管理策略

3.4本章小结

第四章 无动力飞行轨迹设计与返场能力分析

4.1引言

4.2各阶段轨迹设计

4.3基于轨迹的返场能力分析

4.4本章小结

第五章 无动力应急着陆制导指令与管理窗口

5.1引言

5.2纵向轨迹的制导指令

5.3横向轨迹的制导指令

5.4无动力飞行管理窗口的设计

5.5本章小结

第六章 无动力应急着陆精确轨迹跟踪控制律设计

6.1引言

6.2鲁棒伺服控制理论

6.3各飞行阶段的控制策略

6.4高度轨迹跟踪控制律设计

6.5水平位置跟踪控制律设计

6.6本章小结

第七章 无动力飞行的全过程仿真

7.1引言

7.2初始状态不确定仿真验证

7.3风干扰情况下的仿真验证

7.4模型及参数拉偏仿真验证

7.5本章小结

第八章 总结与展望

8.1论文的主要工作

8.2后续研究工作与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文