无人机自主空中加油对接控制技术研究

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1、硕士学位论文无人机自主空中加油对接控制技术研究DOCKINGCONTROLMETHODFORAUTONOMOUSAERIALREFUELINGFORUNMANNEDAERIALVEHICLES张博连哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V249.122学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开工程硕士学位论文无人机自主空中加油对接控制技术研究硕士研究生：张博连导师：崔祜涛教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249.122U.D.C:629DissertationfortheM

2、asterDegreeinEngineeringDOCKINGCONTROLMETHODFORAOTONOMOUSAERIALREFUELINGFORUNMANNEDAERIALVEHICLESCandidate：ZhangBolianSupervisor：Prof.CuiHutaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institutio

3、n：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着无人机技术的发展，自主空中加油已经成为衡量无人机性能的一项重要指标。实现无人机自主空中加油技术，可以有效提高无人机的航程和航时，扩大无人机的使用范围。在自主空中加油的过程中，对接段是风险最大也是最为重要的阶段。在存在各种外界干扰的情况下，对接段对控制精度和安全性的要求很高，直接影响着加油设备对接的成功与否。本文主要针对无人机自主空中加油对接段的控制问题展开研究，主要内容包括如下：首先进行无人机自主空中加油系统的建模，介绍相关坐标系、气动力模型、大气模型等，建立了无人机的六自由度动力学模型。其次，考虑

4、到无人机空中加油的实际情况，建立了大气紊流模型和加油锥套的运动模型。这是全文的基础工作，为后面控制系统的设计提供了数学模型。接着采用LQR方法设计了基于状态观测器的对接跟踪控制系统。相对位置信息经参考轨迹生成器的计算，实时生成一条光滑的轨迹用于无人机对加油锥套的跟踪。通过设计状态观测器估算出无人机的参考状态量和控制量，用LQR控制器控制无人机跟踪锥套并完成对接。为提高控制精度，在上述基础上加入积分环节，设计了改进的LQR-PI控制器，并对这两种控制器进行仿真，分析比较其跟踪精度和系统性能。然后针对实际对接过程中存在的各种不确定性干扰，设计了基于自适应滑模控制的对接控制系统以增强系统的抗干扰能力

5、。采用层叠结构，分别使用一阶积分滑模和二阶终端滑模的方法设计了无人机的姿态回路控制器。通过仿真分析，验证了所设计系统的控制效果和稳定性。最后对所设计的自主空中加油对接控制系统进行了综合仿真。在三种不同程度的大气紊流干扰下，通过仿真验证，全面评估了各控制器在对接任务中的跟踪性能和对接可行性，并对仿真结果做了对比分析。关键词：无人机自主空中加油；对接控制；LQR控制；滑模控制；状态观测器-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofunmannedaerialvehicletechnology,autonomousaerialrefuelinghasb

6、ecomeanimportantcapabilityofUAVs.RealizingtheautonomousaerialrefuelingtechnologycaneffectivelyimprovetherangeandtimeofUAVsandexpandtherangeofuse.Intheprocessofautonomousaerialrefueling,thedockingsegmentisthemostriskyandmostimportantstage.Inthepresenceofvariousexternaldisturbances,therequirementsforc

7、ontrolaccuracyandsafetyofthedockingsectionareveryhigh,whichdirectlyaffectsthesuccessorfailureofdockingequipment.ThispapermainlyfocusesonthecontrolissuesofautonomousaerialrefuelingofUAVs.Themaincontent