无人机制导控制算法的设计开题报告

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1、毕业设计（论文）开题报告 题目 多旋翼无人机制导控制算法的设计 专 业 名 称电子信息科学与技术 班 级 学 号 13043124 学 生 姓 名王华 指 导 教 师何 矞 填 表 日 期 2017 年 3 月 25 日 一、选题的依据及意义： 在如今高科技的现代战场上， 无人机已开始从传统地执行侦察、评估等战斗支援 任务，向着具备杀伤能力的方向迅速发展，作为能够执行攻击和拦截任务的作战 装备，成为影响作战进程的重要力量。2001年 10 月份，美军在阿富汗战场上首 次使用“捕食者”无人机对塔利班目标进行了实弹攻击，开创了无人机执行对 地攻击任务的先例，在世界上造成了很大的轰动。 无人机的价值

2、一般是有人驾驶战斗机的几分之一，相比有人驾驶飞机具有经 济优势，而且由于无人机无需考虑人的生理因素，因而可以进行大过载机动， 能 有效地进行突防和进攻， 所以无人机更有作战优势。 在最近几场局部战争中无人 机被大量应用， 在未来战场上的用途也将越来越多，成为世界各军事大国武器装 备的发展重点。就目前来说，无人机用于空战还有很长的一段路要走, 而无人机 用于执行对地攻击任务已经成为现实。 一般来说无人机执行对地攻击任务的主要过程为：在巡航过程中进行搜索 探查，进而发现并识别目标，然后由火控系统发射武器对目标进行攻击。在无 人机对地攻击中，一般都使用精确制导武器，如制导炸弹或战术导弹。制导武 器经

3、点火发射后，经过制导与控制，以一定的弹道接近目标，最终命中并毁伤 目标。 综合火力 / 飞行控制 4 是在上世纪 70 年代中期由美国空军提出的一种航空 技术概念。它的基本思想是通过火力/ 飞行耦合器把火控系统与飞行控制系统结 合起来，形成一个闭环的武器自动攻击、投放系统。以自动实现瞄准攻击为目 的，采用综合火力 / 飞行控制系统的作战飞机能够实现机载武器的自动化攻击， 可缩短瞄准攻击时间，提高武器的命中率，同时也增加作战飞机的生存机会。 精确打击在当前和未来战场中具有举足轻重的地位，美军在其二十一世纪联 合作战的纲领性文件中， 明确提出了在信息时代， 美军为掌握现代战争的主动权 所必须具备的

4、四种作战理念， 其中的第二项便是精确打击。 精确打击一般使用精 确制导武器， 与非制导武器相比， 精确制导武器具有命中精度高、可实施远程精 确打击、作战效能高以及技术潜力大的显著优点。精确制导与控制是精确制导武 器的特征，是推动精确制导武器发展的核心技术，是实施精确打击的关键技术和 有力保证。 制导系统的基本功能是， 在导弹飞向目标的过程中， 对导弹实际弹道与理想 弹道之间的偏差进行测量，或者是对导弹与目标的相对位置及其偏差进行测量， 并按照相应的制导律要求， 得到导弹命中目标所需的控制指令，以便通过自动控 制导弹来修正偏差，准确地飞向目标。 控制系统的基本功能是， 根据制导律给出的制导指令以

5、及导弹本身的运动信 息，驱动伺服系统工作， 操纵控制机构产生所需的操纵力和力矩，不断地改变导 弹的飞行姿态和飞行轨迹， 并克服相关干扰的影响， 保证导弹稳定地按照弹道飞 行直至命中目标。 因此，导弹制导与控制系统是关系导弹飞行成败和实现精确打 击的关键系统，需要进行大量的研究工作。 二、国内外研究概况及发展趋势： 二十世纪八十年代， 制导与控制一体化设计思想被正式提出，但当时并未引起研 究人员的足够重视。 但进入二十一世纪， 制导与控制一体化设计技术在国外被广 泛研究，取得了迅速发展，并引起了国内研究人员的重视。经过这些年的发展， 制导与控制一体化设计已经取得了一定的研究成果。制导与控制一体化

6、的设计方 法主要包括最优控制方法、滑模变结构控制方法、回馈递推方法、反馈线性化 方法等，下面分别对这些方法的相关成果做一定的介绍。 (1) 最优控制方法 最早应用在制导与控制一体化设计中的方法就是最优控制。文献1 将最优控制 和估计理论用于制导与控制一体化设计中，这是我们所见到的有关导弹制导与控 制一体化设计的最早文献。Evers 等人2 建立了包含目标机动特性和导弹随机 误差补偿策略的制导与控制一体化模型，并在此基础上将最小能量作为性能指 标， 进行了最优制导与控制一体化设计。 Lin3 等人 设计了一种复合控制方案， 综合运用了模糊直接力控制和最优一体化设计，采用直接力补偿气动力控制的 不

7、足。仿真实验显示，该方案能很好的抵抗目标螺旋机动带来的影响，且相比 传统设计脱靶量更小。 非线性最优控制方面， Palumbo、Vaddi 等人4,5 通过状 态依 赖 Riccati 方程方法进行了制导与控制一体化的三通道耦合次优设计， Xin 等人6 采用 D方法也完成了一体化耦合次优设计。考虑到弹体旋转和平移 之间固有的时域分离特性， Das7 等人进一步提出了一种双回路的制导与控制一 体化设计方法，仿真结果表明这种设计方法的优越性。 (2) 滑模变结构控制方法 滑模变结构控制方法算法简单、 响应速度快且对于系统内外部干扰的鲁棒性良好， 这些优点使得其是在制导与控制一体化设计中研究得最为

8、广泛8 。 Choi 等人9 将控制回路模型与制导回路模型合并为整体的一体化模型，其中考虑了目标加速 度的不确定性和控制回路的动态特性。然后，通过非线性变换并采用自适应滑模 控制理论设计了一种非线性自适应一体化算法。文献10 将制导与控制一体化系 统分为内外两个回路， 先进行外层的制导回路设计，给出了过载的期望值， 然后 将其转化为内回路俯仰角速率的期望值，进而对内回路进行跟踪11,12 控制设 计得到了的最终的一体化算法。 在国内，于进勇等分别以反舰导弹和无人机作为 受控对象，研究了侧向平面的制导与控制一体化问题。文中基于滑模变结构控制 进行了一体化设计，同时给出了对目标加速度和运动方位角的

9、估计方法。文献13 在文献 12 的基础上，14 进行了反舰导弹制导与控制一体化的三通道独立设计。 张保群等人 提出了一种基于自适应滑模控制方法的制导与控制一体化反演设计 方法， 该方法充分考虑了目标机动、 气动参数变化等引起建模误差所带来的影响， 具有较强的鲁棒性。文献15 对 SINS/GPS 制导炸弹进行了研究，采用终端滑 模控制方法进行了俯仰通道的制导与控制一体化设计，文中采用模糊控制克服 了开关函数项所引起的系统抖振。数值仿真实验表明， 该一体化算法不但脱靶量 很小，满足落角约束要求，还具有良好的鲁棒性。 (3) 回馈递推方法 回馈递推设计方法是非线性系统设计中的主要方法之一，它采用

10、独特的构造性设 计，对16 于非匹配不确定性具有强大的处理能力，在飞行器控制系统的设计中 得到了广泛应用。 Sharma 等人17 采用非线性回馈递推设计方法对弹道导弹拦 截器进行了研究，进行了俯仰通道的自适应制导与控制一体化设计，并使用神 经网络对系统的建模误差进行估计。 文献18 基于回馈递推方法设计了寻的导弹 俯仰通道的制导与控制一体化算法，对于系统的建模误差，设计了滑模观测器 进行估计，仿真结果验证了该设计的有效性。 (4) 反馈线性化方法 反馈线性化是非线性控制方法中最重要且应用最广泛的一种，相比近似线性化方 法，它不会损失模型精度。 Menon 等人19 通过反馈线性化方法将制导与

11、控制一 体化系统转化为三个独立的线性子系统， 然后利用 LQR 方法设计了一体化算法， 并通过仿真验证了设计的有20 效性。在国内，尹永鑫等对带落角约束的制导 与控制一体化设计问题进行了研究，采用反馈线性化方法和特征结构配置方法 进行了一体化设计，仿真结果表明了该设计能够同时保证较小的脱靶量和一定 的攻击角约束。虽然反馈线性化方法能够有效地处理非线性系统，但是它要求 受控对象的模型精确已知，当存在输入不确定性时，有可能造成较大的误差。 (5) 其他控制方法 在制导与控制一体化设计中， 人们除了使用上述介绍的控制设计方法外，还应用 其他一 些控制方法，比如传统的 PID 控制方法 21 ，特征结

12、构配置方法 22 ， H控制增益调度理论 23 等等，还有一些文献综合运用了多种控制方法进行了设 计。 三、研究内容及实验方案： 3.1 主要内容 本次设计的主要内容， 一是建立导弹制导与控制一体化模型，首先分别给出 了导弹的控制模型以及导弹和目标的制导模型，在此基础上建立导弹制导与控制 一体化模型；二是设计基于自适应滑模的一体化控制器，考虑了系统的复合干扰， 是严格反馈的级联形式， 然后对于一体化模型， 通过回馈递推方法， 设计基于自 适应滑模的一体化控制器；三是设计基于自适应神经网络的滑模一体化控制器， 主要采用RBF神经网络对复合干扰进行在线估计设计基于自适应神经网络的滑 模一体化控制器

13、；四是对所设计的系统进行Matlab 语言仿真，证明一体化控制 器的良好效果。 3.2 实验方案 为了提高导弹制导与控制系统的性能，需要设计者充分认识并利用制导与控 制系统之间的相互耦合作用， 将它们作为一个整体， 进行一体化设计。 一体化设 计是将制导回路和控制回路结合起来整体建模，设计整体控制器， 根据导弹与目 标相对运动信息与导弹本身的运动信息直接产生舵角偏转指令。导弹制导控制一 体化设计结构图如图 5.2 所示。这种设计思路充分考虑了控制能力的协调关系， 可以保证最后信号的稳定跟踪，加快导弹响应， 减小脱靶量， 将成为导弹制导与 控制系统设计的重要趋势。 导弹三通道控制模型： 为简化起

14、见 , 本文在建模时采用如下假设: 假设 1：本文中导弹采用 STT控制方式，在运动过程中，导弹几乎不发生滚 转；导弹的攻角、侧滑角均为小量，即认为：sin，cos1，sin，cos1， 并忽略二阶小量。 假设 2：对于导弹的某一通道来说，其余通道对其产生影响的耦合项是有界 的，每个通道的复合干扰项也是有界的。 假设 3：导弹舵面对升力和侧力的影响足够小，可以忽略不计；末制导段导 弹的速率基本保持不变，导弹的加速度仅改变导弹的速度方向而不改变其大小； 并且末制导阶段导弹不受发动机推力的作用，即T 0 。 根据导弹六自由度全状态方程， 再根据上述假设 1- 假设 3 ，进行 相应的整理和 化简，

15、可得导弹三通道的控制模型。 导弹制导模型： 将导弹 - 目标的相对运动分解到俯仰平面以及偏航平面内，分别俯仰平面和偏航 平面建立制导模型。 导弹制导与控制一体化模型： 根据控制模型和制导模型来构建制导与控制一体化模型。 自适应滑模一体化控制器设计： 设计思路为： 通过回馈递推方法从系统的输出开始向控制输入逐步递推，并在 每一步中进行滑模控制设计， 为了抵抗复合干扰的影响，在滑模控制中加入自 适应项，最终得到了一组系统化的反馈控制律，使系统获得良好的全局渐近稳 定性和跟踪特性。 3.3 设计框图 图 1 导弹制导与控制一体化设计结构图 四、目标、主要特色及工作进度 4.1 设计目标 1.导弹三通

16、道控制建模； 2.导弹制导建模； 3.导弹制导与控制一体化建模； 4.自适应滑模一体化控制器的设计； 5.Matlab语言仿真； 4.2 工作进度： 第 1-3 周资料查询，完成开题报告 第 4-6 周导弹三通道控制建模 第 7-14 周导弹制导建模、导弹制导与控制一体化建模、自适应滑模一体 化控制器的设计 第 15-16 周 软件仿真 第 17-18 周 撰写论文和答辩 五、参考文献 1 D. E. Williams. Design of an Integrated Strap down Guidance and Control System for a Tactical Missile. AIAA-83-2169, 1983. 2 J. Evers, J. Cloutier, C. Lin, et al. Application of Integrated Guidance and Control Schemes to a Precision Guided Missiles/P