考虑机载资源受限的无人机抗干扰环绕控制方法研究

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无人机控制技术已成为21世纪世界军事强国竞相争夺的技术制高点,一直被公认为引领未来联合作战和夺取信息非对称优势的“杀手锏”。区别于轨迹跟踪,路径跟随等研究较为充分的话题,无人机目标环绕控制是智能无人系统控制前沿,运用无人机对地面目标实施环绕是近年来解决定点巡逻、持续监视、区域封锁等任务的得力手段,引发了国内外学者的高度关注。本论文针对欠驱动四旋翼无人机,以单机圆形环绕、多机等相位圆形环绕、单机椭圆环绕、多机等弧长椭圆环绕为主线,综合考虑抗干扰控制、目标信息与机载资源约束以及暂态性能增强等实际问题,开展考虑机载资源受限的无人机抗干扰环绕控制方法研究。具体研究内容包括:1)针对未知目标信息获取和感知难题,设计了可满足持续激励条件的目标位置估计器,实现了仅视线方位角可测下对目标位置信息的重构,消除了现有李亚普诺夫制导矢量场(Lyapunov Guidance Vector Field,LGVF)对目标位置和目标速度的需求。借助方向向量场理论,建立了基于径向校正和法向绕飞的水平环绕制导律,结合高度控制律,实现了指定高度下对静止/移动目标的圆形环绕。基于反馈线性化控制思想和扩张状态观测器(Extended State Observers,ESO)的干扰估计结果,构建了带事件触发机制和采样误差补偿项的姿态鲁棒控制律,揭示了事件触发条件参数和控制器增益对闭环系统跟踪误差的影响机理,在避免芝诺现象的同时实现了控制端状态采样频次与跟踪性能的有效折中,有效提升了机载有限计算/通信/控制资源的利用率。2)针对机载资源受限下四旋翼快机动抗干扰环绕控制器设计问题,分别在轨迹回路和姿态回路构造事件触发扩展状态观测器(Event-triggered Extended State Observers,ETESOs),在降低测量端数据刷新频率的同时实现了对相对速度、目标加速度以及集总扰动的精确观测。在单机圆形环绕的基础上,通过视线方位角信息的协同交互与共享,设计了可同时满足径向距离和相位约束的协同环绕制导律,实现了相邻四旋翼之间相对角间距的精准调节,达到了以目标瞬时位置为圆心、预设距离为半径的协同安全绕飞效果。最后,设计了基于ETESO干扰补偿的鲁棒姿态控制器,保证了角度输出对标称指令的稳定跟踪。3)针对当前圆形环绕中存在的灵活性差、适应性弱、稳定时间长等缺陷,提出了不依赖控制器参数和初始条件、具有指定时间收敛能力的椭圆环绕制导律,在避免控制器参数反复整定的前提下确保了四旋翼快速收敛至预设的椭圆轨迹,有效保证了四旋翼遂行任务的时效性。接着,针对实际飞行环境中广泛存在的多源未知干扰导致四旋翼飞控性能退化、鲁棒性缺失等难题,设计了量化模糊逻辑估计和姿态校正相结合的角速度量化控制律,该控制律通过利用滞回量化器将连续状态分解为离散数据更新权值,在兼顾控制精度和估计精度的同时减轻了控制端和测量端的信号传输负担。4)针对椭圆轨迹导引下考虑机载计算和通信资源受限的分布式环绕控制问题,基于有向通信拓扑结构,设计了兼具相对距离和弧长间距调节功能的分布式椭圆环绕制导律,以规避椭圆轨迹导引下相位协同固有的碰撞风险。随后将恶化系统性能的不确定因素视为集总干扰,采用基于事件触发的未知系统动态预估器(Event-triggered Unknown System Dynamics Estimators,ETUSDE)对其进行在线估计并在前馈通道中补偿,在不牺牲估计精度的前提下有效减轻了测量端信号的传输负担,基于干扰估计项构建了鲁棒姿态控制器,实现协同效能以及鲁棒性的显著提升。
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