飞翼布局无人机起降控制技术研究

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1、学校代码10699分类号V249.1密级公开学号2011100273题目飞翼布局无人机起降控制技术研究作者王彦雄学科、专业飞行器设计指导教师祝小平申请学位日期2017年5月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：飞翼布局无人机起降控制技术研究作者：王彦雄学科专业：飞行器设计指导教师：祝小平2017年5月Take-offandLandingControlforFlying-wingUnmannedAerialVehicleByWangYan-xiongUndertheSupervisionofProfe

2、ssorZhuXiao-pingADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaMay2017摘要摘要飞翼布局由于具备升阻比高、隐身性能好等突出优点，已成为高性能无人机的首选布局形式。然而，由于采用翼身融合设计，并取消了水平尾翼和垂直尾翼，使飞翼布局无人机存在俯仰力矩特性曲线

3、强非线性、纵向静稳定裕度低、纵向静稳定迎角范围小、航向静稳定性弱、纵向与横航向耦合、阻力方向舵舵效强非线性及操纵耦合严重等问题。上述问题使得目前工程中基于经典控制理论与增益预置技术设计的起降控制系统在性能方面存在局限。此外，微下冲气流等较为危险的低空风切变以及较差的跑道环境，也对飞翼布局无人机的起降安全造成严重威胁。针对飞翼布局无人机起降控制存在的问题，本文研究了易于工程实现并具备强鲁棒性的先进起降控制方法、穿越微下冲气流的控制方法、以及具备强鲁棒性的先进滑跑纠偏控制方法，并开展了飞翼布局无人机滑跑起降控

4、制系统的综合设计与验证。论文主要工作与创新点如下：(1)建立了飞翼布局无人机空中及地面滑跑全量非线性动力学模型，建模过程中综合考虑飞翼布局无人机非线性气动特性、包含微下冲气流在内的风干扰、地面效应与起落架收放、以及滑跑过程中起落架弹性与跑道环境等影响；对比了飞翼布局无人机与常规布局飞机在气动特性方面的不同点，分析了起降阶段的飞行品质、地面效应与起落架对纵向飞行品质的影响，以及非线性气动特性与阻力方向舵操纵耦合的影响。(2)针对存在俯仰气动特性强非线性、通道间相互耦合、阻力方向舵舵效非线性与操纵耦合等影响的

5、飞翼布局无人机姿态控制问题，设计了改进的串级自抗扰姿态控制律，提出了函数拟合法应对阻力方向舵舵效非线性问题，保证了系统在上述影响下的指令跟踪精度与良好的动态性能，通过仿真验证了方法的有效性与可行性。(3)针对传统控制方法使飞翼布局无人机着陆过程中空速过高、抗风性能较差等问题，提出了一种工程易实现的飞翼布局无人机自抗扰起降控制方法，实现了降低着陆进场速度的目的，提高了无人机的抗风性能。通过半实物仿真验证了所提出方法的有效性、工程易实现性与实时性。(4)为减小飞翼布局无人机在低空飞行中遭遇微下冲气流时的高度损

6、失，提出了一种结合舵面附加升力控制与机体气动力控制的复合控制方案，并基于自抗扰控制理论设计了复合控制系统。仿真结果表明，所提出复合控制方法能够将飞翼布局无人机遭遇微下冲气流时的高度损失减少至0.6m以内。(5)针对跑道环境影响及侧风干扰容易在起降滑跑过程中导致无人机偏出跑道的问题，设计了基于自抗扰控制理论的非线性滑跑纠偏控制律，并基于再分配加权伪逆法对前轮转向、阻力方向舵和主轮差动刹车的使用量进行合理分配。仿真结果说明，该方法能够使无人机在部分跑道积雪与侧风干扰下沿跑道中心线稳定滑跑。I西北工业大学博士学

7、位论文(6)将本文研究的起降控制方法、穿越微下冲气流的控制方法与滑跑纠偏控制方法应用于完整的飞翼布局无人机滑跑起降控制系统设计。仿真验证表明，所设计的控制系统能够在飞翼布局无人机气动特性非线性、通道间强耦合、阻力方向舵操纵耦合、侧风和微下冲气流、地面效应、以及部分跑道积雪等影响下，准确跟踪控制指令并高精度实现无人机的起降。关键词：飞翼布局无人机，自抗扰控制，半实物仿真，自主起降，飞行控制，滑跑纠偏控制，扩张状态观测器，微下冲气流IIAbstractAbstractWithadvantagesofhighl

8、ift-dragratioandprominentstealthperformance,theflying-winghasbeenthepreferredlayoutofunmannedaerialvehicle(UAV).Becauseofblendedwing-bodyandconfiguration,thenonlinearityofpitchmoment,lowlongitudinalstaticstability,l