无人机自主飞行控制与管理决策技术研究

论文摘要

无人机在当前的战争中起着不可替代的作用,本文围绕无人机的自主飞行控制与管理决策技术中的关键问题展开了设计与仿真。第一部分研究了基于开放式的分层递阶结构的无人机自主飞行管理体系结构。探讨了该结构的主要组成部分,对关键模块的结构和功能进行了研究。第二部分对所设计的结构中关键的模块进行了设计。首先设计了航迹规划模块和航迹跟踪模块。针对航迹规划的实际需要,将航迹规划划分为二维的航线规划和二维航线点之间的三维航迹规划;提出动态权值的三维LPA*的航迹规划方法对二维航线产生的航线点之间进行规划,对突然出现的新威胁,运用三维D* Lite进行实时重规划。其次对具有完全非线性特征的慢模态,设计了航迹角跟踪指令飞行控制器。再次对无人机自主控制的一项关键技术——自主起飞与着陆控制技术,进行了研究,对无人机起飞过程中三轮滑跑、两轮滑跑和离陆升空过程进行了纵向控制律的设计;对无人机着陆过程设计了定高系统、下滑波束导引系统、自动拉平系统和侧向波束导引系统,并进行了仿真验证。最后对无人机飞行管理中的任务规划与调度建立了任务管理系统。将一个完整的飞行任务通过Petri网分解出的若干子任务,用事件触发进行管理和调度,Stateflow对无人机进行复杂的逻辑判断,用GUI实现了一个友好的人机界面。第三部分在Windows平台上基于虚拟仿真软件MultiGen Creator、Vega和VC++研究了无人机自主飞行全过程的三维视景仿真,生动演示了起飞、飞行、着陆的全过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 本课题选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无人机国内外发展现况
• 1.2.2 自主式系统国内外研究现况
• 1.2.3 飞行管理系统的国内外现状
• 1.2.4 自主飞行控制与管理的关键技术的现况
• 1.3 课题研究思路
• 1.4 本文主要研究内容及关键技术
• 第二章无人机自主飞行管理系统结构设计
• 2.1 自主控制的概念
• 2.2 基于开放式分层递阶结构的飞行管理系统结构模块化设计
• 2.2.1 飞行管理系统的需求特点
• 2.2.2 体系结构设计
• 2.3 体系结构的交互性设计与总体结构
• 2.4 各主要模块的关键技术
• 2.4.1 任务管理模块
• 2.4.2 航迹规划模块
• 2.4.3 飞行控制模块
• 2.4.4 导航数据库模块与知识库
• 2.4.5 其余模块简述
• 2.5 本章小结
• 第三章无人机航迹规划与航迹跟踪技术研究
• 3.1 航迹规划技术概述
• 3.2 应用于航迹规划的数字地图技术简述
• 3.2.1 数字地图的分类
• 3.2.2 威胁建模及与地形、地物信息的融合
• 3.3 基于 Dijkstra 的二维航线计算分析
• 3.3.1 威胁建模
• 3.3.2 建立可行节点和赋权图
• 3.3.3 计算哈密顿航线
• 3.4 基于动态权值的三维稀疏LPA*算法三维航迹规划
• 3.4.1 约束条件的限制
• 3.4.2 算法中的定义和符号
• 3.4.3 算法步骤
• 3.4.4 对PLA*算法的优化
• 3.4.5 数字仿真与实现
• 3.5 无人机三维实时重规划的初步研究
• 3.5.1 D* Lite 算法
• 3.5.2 数字仿真与实现
• 3.6 无人机机动航迹跟踪飞行控制系统设计
• 3.6.1 航迹跟踪控制的结构
• 3.6.2 非线性数学模型
• 3.6.3 基于系统动态逆理论的无人机航迹跟踪
• 3.6.4 神经网络的训练与仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 无人机自主起飞和着陆的建模与控制
• 4.1 无人机自主起飞与着陆过程描述
• 4.1.1 无人机自主起飞过程描述
• 4.1.2 无人机自主着陆过程描述
• 4.2 无人机非线性起飞模型的建立与控制律设计
• 4.2.1 建模准备
• 4.2.2 建立地面滑跑起飞运动方程
• 4.2.2.1 无人机起飞滑跑纵向运动方程建立
• 4.2.3 无人机起飞控制律设计与仿真
• 4.2.3.1 三轮滑跑阶段
• 4.2.3.2 两轮滑跑阶段
• 4.2.3.3 离陆爬升
• 4.3 无人机非线性着陆模型的建立与控制律设计
• 4.3.1 建立着陆纵向运动方程
• 4.3.1.1 无人机着陆纵向运动方程
• 4.3.1.2 无人机着陆横侧向运动方程
• 4.3.2 无人机着陆纵向控制律设计与仿真
• 4.3.2.1 俯仰角保持与控制系统设计
• 4.3.2.2 高度保持与控制系统设计
• 4.3.2.3 无人机自动进场控制律设计
• 4.3.2.4 无人机自动下滑控制律设计
• 4.3.2.5 无人机自动拉平着陆控制律设计
• 4.3.3 无人机着陆横侧向控制律设计与仿真
• 4.3.3.1 滚转角控制系统
• 4.3.3.2 侧向波束导引
• 4.4 本章小结
• 第五章 自主任务管理系统设计研究与系统综合仿真
• 5.1 任务管理系统简述
• 5.2 任务管理系统的组成、结构和功能
• 5.3 任务管理系统实现
• 5.3.1 Petri 网及相关概念
• 5.3.2 基于Petri 网的任务管理系统实现
• 5.4 人机接口的界面系统设计
• 5.4.1 Stateflow 和GUI 技术
• 5.4.2 Stateflow 的有限状态机原理
• 5.5 基于实例的任务管理系统的仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 无人机自主飞行三维视景仿真
• 6.1 可视化仿真技术概述
• 6.1.1 MultiGen Creator 简介
• 6.1.2 Vega 简介
• 6.2 基于API 函数的视景仿真系统设计
• 6.2.1 实体模型及地形的建立
• 6.2.2 视景的管理与驱动
• 6.2.3 攻击特效技术
• 6.3 无人机自主飞行可视化仿真的实现
• 6.3.1 情景描述
• 6.3.2 利用Creator 建立导弹和坦克的三维模型
• 6.3.3 三维视景效果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作及贡献
• 7.2 不足之处与进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录一