基于不确定信号估计器的姿态跟踪和编队控制算法

摘要

随着对飞行器的任务效能和战场生存性要求的不断提高，多飞行器编队飞行协同完成任务的方式具有相当重要的应用前景。然而，复杂的飞行环境和系统模型中的不确定性因素，严重影响飞行控制系统的性能。因此，需要研究对外界干扰信号和模型中的不确定因素具有鲁棒性的姿态控制和编队控制技术。
　　本论文研究基于不确定信号估计器的鲁棒飞行控制技术。研究内容包括四个方面：飞行器动力学模型特性分析、俯仰通道鲁棒姿态跟踪控制技术、基于四元数姿态模型的三通道姿态鲁棒跟踪控制技术、基于多运动体一致性理论的多飞行器平面编队鲁棒飞行控制技术。具体来讲，本论文完成的内容如下：
　　首先，在Matlab环境下建立了飞行器的全量方程模型。在此基础上，分析了三轴姿态动力学的耦合特性，简单推导了欧拉角姿态动力学模型的三轴近似解耦的形式，阐述了欧拉角描述和四元数描述之间的关系，为俯仰通道鲁棒姿态控制技术和基于四元数模型的三轴姿态鲁棒控制技术提供基础。
　　然后，针对模型不确定条件下的俯仰通道姿态跟踪问题，考虑姿态角速率信号可测和不可测这两种情况，基于不确定信号的干扰估计器，设计了相应的两种鲁棒姿态跟踪控制律，并与常规的PID控制律进行对比，给出了相应的仿真结果。
　　接着，针对模型不确定条件下的三轴姿态跟踪问题，考虑姿态角速率信号可测和不可测这两种情况，综合利用滑模控制技术和基于不确定信号的干扰估计技术，设计了相应的两种鲁棒姿态跟踪控制律，并与不带估计器即对不确定信号和外界干扰不处理的滑模控制律进行对比，给出了相应的仿真结果。
　　最后，针对多个小型飞行器的平面编队控制问题，借助于多运动体一致性理论，设计了分布式的编队控制律。考虑了没有干扰的理想状态下的编队控制，进而分析了模型中的不确定性因素和外界干扰对于编队的影响，在此基础上，提出了基于不确定信号与干扰估计器的具有鲁棒性的平面编队控制方案，与不带估计器即对不确定信号和外界干扰不处理的控制方案进行对比，并进行了验证，给出了相应的仿真结果。

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目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标

1.4 研究内容以及结构

第二章 飞行器动力学模型及分析

2.1 控制对象及目标

2.2 六自由度非线性数学模型

2.3 气动力模型

2.4 六自由度模型特性分析

2.5 关键技术分析

2.6 本章小结

第三章 俯仰通道鲁棒姿态跟踪控制算法

3.1 不确定条件下飞行器俯仰通道姿态动力学特点分析

3.2 俯仰通道姿态跟踪控制方案分析

3.3 基于干扰估计器的姿态跟踪控制律的设计

3.4 基于干扰估计和角速率估计的姿态跟踪控制律的设计

3.5 几种控制律的仿真测试结果

3.6 本章小结

第四章 基于四元数模型的三轴姿态鲁棒跟踪控制算法

4.1 不确定条件下飞行器四元数模型的动力学特点分析

4.2 姿态四元数跟踪控制方案分析

4.3 基于干扰估计器的姿态四元数跟踪控制律的设计

4.4 基于干扰估计器和角速率估计器的跟踪控制律的设计

4.5 几种控制律的仿真测试结果

4.6 本章小结

第五章 基于一致性理论的多微型飞行器平面编队控制算法

5.1 微型飞行器平面编队模型动力学特点分析

5.2 平面编队控制方案分析

5.3 基于干扰估计器的平面编队控制律设计

5.4 编队控制律的仿真测试结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果