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 1、 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。无人机的价值一般是有人驾驶

2、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。制导武器经点火发射后，经过制导与控制，以一定的弹道

3、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

4、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

5、，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

6、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 Ri

7、ccati 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

8、化算法。文献10将制导与控制一体化系统分为外两个回路，先进行外层的制导回路设计，给出了过载的期望值，然后将其转化为回路俯仰角速率的期望值，进而对回路进行跟踪11,12控制设计得到了的最终的一体化算法。在国，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。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

9、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1

10、8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，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

11、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、研究容及实验方案：3.1主要容 本次设计的主要容，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

12、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；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

13、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：sina a ，cos a 1，sin b b ，cos b 1，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

14、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，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，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

15、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 4、 目标、主要特色及工作进度4.1设计目标 1.导弹三通道控制建模； 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

16、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/Proceedings of 1992 American Control Conference. Chicago, USA, 1992:32253230.

17、 3C. Lin. Optimal Design of Integrated Missile Guidance and ControlR. AIAA-98-5519, 1998 4N. Palumbo, B. Reardon, R. Blauwkamp. Integrated Guidance and Control for Homing Missiles. Johns Hopkins APL Technical Digest, 2004, 25(2):121139. 5S. Vaddi, P. Menon, E. Ohlmeyer. Numerical SDRE Approach for M

18、issile Integrated Guidance Control. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2009,32(2):699703. 6M. Xin, S. N. Balakrishnan, E. J. Ohlmeyer. Integrated Guidance and Control of Missiles with -D Method. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2006, 14(6):981992.7P. Das, C. Chawla, R. Padhi.

19、 Robust Partial Integrated Guidance and Control of Interceptors in Terminal Phase. AIAA-2009-6275, 2009. 8宋建梅, 天桥. 滑模变结构在导弹制导与控制中的应用综述. 弹箭与制导学报,1999, (4):32389J. Choi, D. Chwa. Adaptive Nonlinear Guidance Considering Target Uncertainties and Control Loop Dynamics. IEEE Transactions on Aerospace and

20、electronic systems, 2003, 39(4): 11391143. 10Y. Shtessel, I. Shkolmikov. Integrated Guidance and Control of Advanced Interceptors Using Second Order Sliding Modes/Proceeding of the 42nd IEEE Conference on Decision and Control.Hawaii, USA, 2003:45874592.11J. Yu, Y. Zhang, W. Gu. An Approach to Integr

21、ated Guidance/Autopilot Design for Missiles Based on Terminal Sliding Mode Control/Proceedings of the third International conference on machine learning and cybernetics. Shanghai, China,2004:610615. 12于进勇,唐大全,顾文锦.基于滑模变结构理论的航向平面导引规律设计.飞行力学, 2005, 21(3):5053.13G. Zhao, Q. Xu, J. Yu, et al. Integrated

22、Guidance/Autopilot Scheme for Anti-Vessel Missiles Based on Three Channels Independence Design Idea/Proceeding of 2004 International Conference on Control, Robotics and Vision. Kunming, China,2004:778782.14保群,宋申民.基于自适应滑模控制的导弹制导与控制一体化反演设计.弹箭与制导学 报, 2009,29(5):3235.15梁卓,薛晓中,王航,等.SINS/GPS 制导炸弹俯仰平面制导控制一

23、体化设计.飞行力学, 2009, 27(3):3240.16友安,华东,顾文锦.空空导弹控制系统一体化设计方法研究.现代防御技术,2003, 31(4):1720. 17M. Sharma, N. Richards. Adaptive, Integrated Guidance and Control for Missile Interceptors. AIAA-2004-4880, 2004. 18T. Hwang, M. Tahk. Integrated Back-stepping Design of Missile Guidance and Control with Robust Dist

24、urbance ObserverC/SICE-ICASE International Joint Conference. Busan, Korea, 2006:49114915.19P. Menon, E. Ohlmeyer. Finite-Horizon Robust Guidance Control of a Moving Mass Actuated Kinetic Warhead. AIAA-2006-6787, 2006.20永鑫,明,王子才.导弹三维制导控制一体化设计. 电机与控制学报,2010,14(3):8791. 21红春,蔡洪,明玮.基于制导一体化设计实现大入射角攻击目标的技术研究.战术导弹 技术, 2008, 28(5):5458. 22梁冰,徐殿国,段广仁.导弹俯仰通道带有落角约束的制导与控制一体化设计.科学技术与 工程, 2008, 8(1):7075.23I. Kaminer, A. Pascoal, E. Hallberg, et al. Trajectory Tracking for Autonomous Vehicles: An Integrated Approach to Guidance and Control. Journal of Guidance,Control, and Dynamics, 1998, 21(1):2938.