基于Xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计

以微小型飞行器为控制对象,设计了一种基于Xscale FPGA的双芯片微小型数字控制系统.该系统用基于Xscale架构的微处理器处理导航算法和控制算法,用FPGA处理外部信号核心.选择嵌入式Linux作为软件平台,完成了Bootloader设计、嵌入式Linux的裁减和主要器件FPGA的驱动设计.针对FPGA所需处理的信号,设计了用于A/D采样的硬件电路,采用硬件描述语言对电路模块进行了软件设计.实验测试结果表明,该系统具有较高的集成度和较好的实时性.     

小型涵道风扇无人机自适应解耦控制律设计

为解决小型涵道风扇式无人机俯仰通道和滚转通道之间的惯性耦合问题,采用简单自适应控制(simple a-daptive control,SAC)方法对无人机姿态角速度控制回路设计模型参考自适应控制器,使该控制回路在受到不确定扰动和参数摄动的影响下,仍能稳定跟随参考模型输出;同时对所构造参考模型进行串联前馈解耦,以使无人机跟随参考模型同步解耦,进而实现对无人机姿态角速度和自身姿态角的有效控制.仿真结果显示,该控制律能使无人机姿态稳定跟踪参考模型输出,并且有效抑制了被控对象参数摄动带来的不利影响,控制系统具有较强的自适应性和鲁棒性.     

微小型变体飞行器建模与控制系统设计

研究了机翼可后掠变形的微小型变体飞行器动力学建模和飞行控制系统设计方法. 通过状态点选取、气动参数计算和数据拟合插值,建立了变体飞行器的动力学模型. 针对模型的特点,提出了一种以参数空间方法为基础的变体飞行器飞行控制系统设计方法,通过计算机辅助算法,设计了纵向通道控制系统. 仿真结果表明,所设计的公共固定增益控制器能够使得变体飞行器在不同飞行阶段始终具备要求的动态特性,具有可行性和工程实用性.      

大展弦比飞翼刚柔强耦合飞行动力学与控制

针对大展弦比飞翼布局柔性飞行器在刚体和弹性自由度动力学强耦合情况下的控制问题,对相应的强耦合动力学特性与相应的控制方法展开研究.采用自由-自由模态法表征飞翼刚柔运动之间的惯性耦合;采用偶极子网格法和有理函数近似法完成广义非定常气动力计算;应用线性二次型最优控制方法进行飞行机动与弹性变形的联合控制律设计.与无控情况相比,闭环控制可有效减缓飞行器俯仰方向的阵风扰动至原来的40%.研究结果表明,飞行器一阶弯曲模态短周期之间存在明显动力学耦合.设计的闭环控制律可使动态弹性变形量始终向有助于减缓扰动方向变化.      

基于切换层次网络的一致性算法研究

针对多智能体网络一致性问题,受自然界中鸽群的启发,提出一种新的有向网络拓扑即层次网络,且证明了所提出的层次网络的性能优于当前应用广泛的leader-following网络,研究了基于层次拓扑的一阶积分器网络对机动目标跟踪的一致性误差,证明一致性误差有界且与网络拉普拉斯矩阵第二小特征值及目标状态有关,并讨论了切换层次网络的一致性误差问题. 仿真结果验证了理论的有效性.      

基于滑模控制的飞行器螺旋机动、制导与控制一体化设计研究

针对空舰飞行器末制导过程中突防能力不强;制导、控制回路分离设计在带宽分离假设条件不满足情况下的控制效果较差的两方面问题,将飞行器制导与控制回路进行一体化设计,并引入三维螺旋机动的弹道机动形式,实现了螺旋机动、制导、控制一体化的设计研究. 首先对飞行末段的制导、控制回路进行了一体化建模,之后应用滑模控制方法,完成了制导与控制一体化的控制律设计,而后引入了对视线倾角速率与视线偏角速率的周期性拉偏,完成了螺旋机动、制导、控制一体化设计,仿真结果表明,本文设计的控制律在保证对目标的精准打击能力的同时具备了攻击过程中的弹道螺旋机动能力.      

考虑导引头视场角的仿生分段复合制导律研究

由于可带载荷重量尺寸限制,微小型弹药会采用捷联式导引头.弹药末段攻击时,小的需用视场角可以确保对目标的有效跟踪和打击.自然界中,蜻蜓捕食果蝇的追踪策略与轨迹可以提供参考.基于蜻蜓追捕目标的追踪策略,提出分段制导律,即在追踪目标时初始段会快速调整弹药姿态进入尾追模式,并在追踪后半段使用运动伪装的追踪策略捕捉目标.初制导段利用滑模控制律对视差角进行控制,使弹药调整至尾追姿态,末制导段运用焦点位于无限远的运动伪装制导律进行目标跟踪,初制导段与末制导段间采取二阶平滑交接律进行过渡.仿生分段复合制导律仿真结果表明,与传统比例导引律相比,在末制导段中弹药的需用过载小,目标更接近视场中心位置,能够减小弹药在末制导段受机体的可用过载和导引头的视场限制,有效提高攻击精度.      

柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

Riordan型多项式序列的递归关系

若一个多项式序列的系数构成的矩阵是一个Riordan矩阵,就称其为Riordan型多项式序列.利用Riordan矩阵的生成矩阵,得到了Riordan型多项式序列的递归关系,证明了Riordan型多项式序列的一般项恰好是生成矩阵的主子矩阵的特征多项式.     

多控制面柔性翼飞行器阵风减缓研究

小型柔性翼飞行器遭遇较强阵风时会引起姿态和质心加速度的剧烈变化,并诱发柔性机翼的弹性运动,甚至导致失稳.柔性翼飞行器的阵风减缓控制需要同时考虑刚体自由度和弹性自由度.基于最小状态法,将频域非定常气动力转化成时域状态空间形式.推导了离散阵风和连续紊流扰动下,柔性翼飞行器的纵向状态空间方程.采用预测控制方法设计了阵风减缓控制器,提出了多控制面控制分配策略,解决了强阵风扰动下独立控制面控制力不足的问题.仿真结果表明,模型预测控制能够有效减缓离散阵风和连续阵风扰动下飞行器的结构载荷,稳定刚体运动和弹性运动,其控制效果优于线性二次高斯（LQG）控制.