大延迟条件下无人机远程控制技术研究

作     者：张铭扬 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈小平

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：无人机系统 无线数据链 通信延迟 卡尔曼滤波 

摘      要：近年来,随着无人机领域的研究深入,在军事应用中的传统空战方式逐渐转向了超视距无人驾驶战争模式;而随着军用无人机慢慢转入民用领域,也从侧面反应出无人机正进入了一个黄金的发展期,例如在航拍等方面有着代替有人机的发展趋势。本文从现有无人机操纵方式出发,分析了典型的地面控制系统在遥操纵无人机时通信延迟时间的各个来源。由于通信延迟会导致无人机的遥操纵性不能达到实时性的技术要求,会面临不同程度的工程损失,特别是对于深孔探测等科研类研究项目,通信延迟带来的不可控后果将会更加严重。为了解决通信延迟带来的未知影响,本论文采用卡尔曼滤波算法来进行时间补偿技术,实现天地一体化大延迟系统上下行链路数据实时传输、控制的研究目标。本论文主要研究内容分为以下几个部分。1.基于传统有人机系统,对刚体六自由度飞行器模型采用小扰动线性化方法得到纵向小扰动方程组,并且通过驾驶员的传递函数描述了驾驶员模型。2.飞控环节和驾驶员控制环节均采用了经典PID控制来设计控制律,飞行器的内外环有两个PID控制器;驾驶员模型只有一个比例控制器,用来描述驾驶员的操纵增益和反应力度。3.研究了无线数据链路的组成,阐述了无人机数据链网络结构的五层模型,分析了影响数据链性能的有效性指标和实时性指标和产生数据链通信时延的原因以及误码率、丢帧率、无线信道等对通信时延的影响,并通过实验仿真了通信时延随传播距离的增加的变化关系。4.采用卡尔曼滤波算法对线性化处理后的系统状态进行通信延迟的预测控制;对于非线性延迟系统提出了一种引入渐进因子的扩展卡尔曼滤波的时间补偿技术,提高了滤波器对延迟非线性系统的时延适应性,最后用Simulink仿真设计了天地一体化大延迟预测控制系统模型,实验结果实现了对飞行器的实时控制技术要求。