基于动态逆的无人机控制律设计技术分析

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要无人机机动性能成为飞行控制的一项重要指标，无人机机动飞行时产生的非线性问题逐渐成为控制律设计中亟需解决的问题。本文针对无人机机动飞行时产生的角运动耦合以及惯性耦合等非线性特性，应用非线性动态逆方法设计样例无人机飞行控制律，解决无人机全包线增稳与三维轨迹跟踪等问题。本文首先应用牛顿刚体动力学理论，建立了无人机六自由度数学模型，分析了样例无人机的机动性能、操稳特性以及模态特性。在此基础上，结合样例无人机非线性特性，深入研究了单变量系统、多变量系统以及反馈型动态逆控制理论，为样例无人机全包线飞行控制

2、律设计提供了理论依据。其次，本文在分析样例无人机俯仰轴角运动和速度线运动等动力学特性后，应用小扰动原理建立了样例无人机的纵向线性模型，结合单变量系统的动态逆控制方法和经典控制理论，设计了俯仰角速率控制律、俯仰角控制律、高度跟踪控制律及速度控制律，实现了纵向轨迹跟踪和速度保持。根据样例无人机滚转和偏航通道的非线性耦合特性，应用基于多变量系统的动态逆控制理论和根轨迹方法，设计了以滚转角速率、偏航角速率为内回路的姿态和航迹跟踪控制律，削弱了滚转和偏航通道间的非线性耦合，实现了样例无人机横航向的稳定控制。最后，在Matlab/Sim

3、ulink数值环境下搭建样例无人机非线性仿真平台，分别进行角运动解耦仿真和典型剖面仿真，验证了控制律的多通道解耦效果和指令跟踪品质，应用蒙特卡罗仿真方法测试了控制律的鲁棒性。综合的仿真表明：基于动态逆的控制律有效地解决了样例无人机轨迹跟踪与速度控制等问题，满足了样例无人机全包线姿态增稳与轨迹跟踪的控制要求。关键词：无人机，动态逆，控制律，解耦，飞行控制i基于动态逆的无人机控制律设计技术研究AbstractUAVmaneuverperformancehasbecomeanimportantindexofflightcontro

4、l,andthenonlinearcontrolproblemsindesigningthecontrollawmustberesolved.Inthispaper,inordertosolveangularmotioncouplingandinertialcouplingproducedinUAVflight,thenonlineardynamicinversionmethodisappliedtodesigntheflightcontrollawwhichcanrealizestabilityaugmentationan

5、dthree-dimensionaltrajectorytrackinginthefullenvelope.AccordingtoNewton’stheoryofrigidbodydynamics,nonlinearsix-degrees-of-freedommathematicalmodelisbuilt,anditspropertiesareanalyzedincludingmaneuvercharacteristics,controlandstabilitycharacteristics,andmotioncharac

6、teristics.CombinationwithUAVdynamicsandkimematicsproperties,thedynamicinversioncontroltheoryofthefeedbacksystem,single-variablesystemandmultivariablesystemaredeeplystudied,whichprovidedthedesignmethodforflightcontrollawofUAV.Secondly,aftertheanalysisonthepitchaxisa

7、ngularmotionandspeedmotion,thelongitudinallinearmodelisbuiltthroughthesmalldisturbancetheory.Accordingtosingle-variablesystemdynamicinversecontroltheoryandtherootlocusmethod,thepitchangleratecontrollaw,thepitchanglecontrollaw,theheighttrackingcontrollawandspeedcont

8、rollawaredesignedtorealizethelongitudinaltrajectorytrackingandspeedstability.Afteranalysisofthenonlineardynamiccharacteristicsoftherollchanneland