動態滑翔運動建模、機理分析與航跡優化

       信天翁憑借動態滑翔的飛行技巧從梯度風中獲取能量,從而在幾乎不拍翅膀的情況下進行長時間、長距離飛行,這種技巧應用於小型無人機上可拓展其完成任務的能力。基於飛行器動力學對梯度風場中的無人機運動方程進行推導和簡化處理;利用簡化的運動方程,分別從非慣性參考係中的動能定理和機械能變化的角度,對動態滑翔獲取能量的機理進行分析;利用微分平坦法,以最小平均控製輸入變化率為目標函數,對徘徊模式和平移模式的動態滑翔航跡進行優化計算。分析結果表明:逆風爬升、順風下滑是動態滑翔基本獲能方式。優化結果表明:控製輸入變得更加平滑,甚至出現階段性的常值,使得控製更加簡化;徘徊模式下,當風梯度作為決策變量時,優化過程可在[0,0.5 s-1]的區間上找到使得目標函數值最小的風梯度;平移模式下,目標函數值在該區間上單調遞減。

       針對無人機大包線飛行中氣動特性大幅變化以及存在參數不確定性和外界幹擾等特點,設計全包線模糊魯棒跟蹤控製器.通過模糊c-均值聚類建立逼近全包線動態的模糊T-S (Takagi-Sugeno)模型.基於高度和空速跟蹤增廣係統,根據保性能控製理論,采用廣義係統的模糊Lyapunov函數方法,以線性矩陣不等式形式給出全包線模糊魯棒跟蹤控製器參數的約束條件,保證廣義係統穩定.並最小化擾動抑製度來優化控製參數.該控製器既降低了控製保守性,又減小了參數求解的複雜度.仿真表明,無人機在整個飛行包線內能夠精確地跟蹤空速和高度參考指令,對參數不確定和外界幹擾具有強魯棒性。

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