垂直起降(Vertical Take-off and Landing,VTOL)飛行器同時(shí)具有固定翼戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),具有重要的軍事戰(zhàn)略意義和民用應(yīng)用價(jià)值,自問世以來就受到世界各航空大國的高度關(guān)注,一直是航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�？刂萍夹g(shù)作為垂直起降飛行器的核心技術(shù),也是保證安全飛行和完成飛行任務(wù)的關(guān)鍵。然而,VTOL飛行器的機(jī)體復(fù)雜布局和復(fù)雜多變的飛行環(huán)境使得飛行器表現(xiàn)出非線性、強(qiáng)耦合、非最小相位等特性,為系統(tǒng)控制技術(shù)研究帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此,本文以VTOL飛行器跟蹤控制問題為研究課題展開了深入研究,主要工作如下:首先,針對(duì)VTOL飛行器系統(tǒng)輸入存在不確定性干擾時(shí)的軌跡跟蹤問題,提出將自適應(yīng)浸入與不變(Adaptive Control via System Immersion and Manifold Invariance,簡稱自適應(yīng)II控制)和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合的控制策略。為了克服干擾對(duì)系統(tǒng)的不良影響,采用自適應(yīng)II干擾估計(jì)律對(duì)干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),并且在控制器中進(jìn)行補(bǔ)償,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤控制精度。通過設(shè)計(jì)干擾補(bǔ)償函數(shù),確保干擾估計(jì)誤差系統(tǒng)指數(shù)收斂�；谧赃m應(yīng)II干擾估計(jì)律,設(shè)計(jì)了滑模跟蹤控制器。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論給出了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。仿真結(jié)果表明在輸入受擾情況下,所設(shè)計(jì)的控制器能夠保證系統(tǒng)輸出快速、穩(wěn)定地跟蹤給定參考軌跡。其次,對(duì)于輸入受到干擾的VTOL飛行器系統(tǒng)軌跡跟蹤控制中的干擾抑制問題,提出將最優(yōu)控制、非線性干擾觀測(cè)器和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合的控制策略。設(shè)計(jì)了非線性干擾觀測(cè)器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)輸入干擾的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確估計(jì);通過設(shè)計(jì)觀測(cè)器增益函數(shù),保證觀測(cè)誤差系統(tǒng)指數(shù)收斂�；诜蔷�性干擾觀測(cè)器,設(shè)計(jì)了魯棒跟蹤控制器,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)給定期望軌跡的有效跟蹤。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論給出了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方案具有良好的軌跡跟蹤性能和干擾抑制能力。再次,針對(duì)VTOL飛行器的定點(diǎn)降落問題,提出基于圖像的視覺伺服控制方法。該方法將基于圖像的控制方法引入到VTOL飛行器控制器設(shè)計(jì)中,采用雙目視覺模型,該模型無需獲取未知特征點(diǎn)的深度信息,模型維度低,易于計(jì)算。利用機(jī)載攝像頭獲取圖像信息,結(jié)合反步法設(shè)計(jì)了視覺伺服控制器,基于圖像信息引導(dǎo)VTOL飛行器定點(diǎn)降落在期望位置。由于所采用的視覺模型中不包含深度信息,從而避免了未知點(diǎn)深度信息的測(cè)量或估計(jì),改善了系統(tǒng)的控制精度。利用李亞普諾夫理論證明了在所提出控制器作用下VTOL飛行器閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定,圖像誤差漸近收斂為零,實(shí)現(xiàn)了基于圖像的視覺伺服定點(diǎn)控制。最后,針對(duì)VTOL飛行器系統(tǒng)部分狀態(tài)難以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量問題,提出了基于有限時(shí)間觀測(cè)器技術(shù)的輸出反饋控制方案。該方案設(shè)計(jì)了有限時(shí)間輸出反饋觀測(cè)器,對(duì)難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量的狀態(tài)進(jìn)行在線估計(jì)以重構(gòu)全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng);基于所設(shè)計(jì)的有限時(shí)間觀測(cè)器,將狀態(tài)觀測(cè)值引入所設(shè)計(jì)的控制器中進(jìn)行補(bǔ)償,基于有限時(shí)間控制方法設(shè)計(jì)了輸出反饋控制律,完成了系統(tǒng)的無速度傳感器控制,改善了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。最后,給出的輸出反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性和合理性。綜上所述,本文針對(duì)VTOL飛行器跟蹤控制問題,進(jìn)行了深入研究,為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)突破做出了積極的理論探索。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V249.1
【部分圖文】：

[11-12]。歷經(jīng)幾十年的艱難發(fā)展過程，迄今為止，世界上具有代表性的VTOL飛行器有三種：英國“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)、前蘇聯(lián)雅克-141戰(zhàn)斗機(jī)和美國F-35B聯(lián)合攻擊機(jī)(如圖1-1

雅克141戰(zhàn)斗機(jī)

- 2 -圖1-3 F-35B 聯(lián)合攻擊機(jī)Fig.1-3 F-35B joint strike fighter一領(lǐng)域的研究起步較晚，目前尚未開展大規(guī)模、系統(tǒng)化的研家垂直起降技術(shù)迅速崛起和國內(nèi)航母技術(shù)日益成熟的大背景行器的相關(guān)研究已經(jīng)是大勢(shì)所趨、刻不容緩。因此，目前術(shù)的相關(guān)研究具有重要的理論意義和工程參考價(jià)值。事領(lǐng)域具有無可替代的價(jià)值，從民用角度看，VTOL飛行器在務(wù)，例如地震救災(zāi)、邊遠(yuǎn)地區(qū)急救、緩解地面交通等方面都。隨著世界各國先進(jìn)航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，垂直起降技術(shù)的的未來。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2869451