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四旋翼无人机旋翼对机身非定常气动干扰特性

兵工学报 2022年第2期43卷 410-422页

作者：朱毅飞林德福莫雳叶建川北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学无人机自主控制技术北京市重点实验室北京100081

四旋翼无人机的旋翼对机身构成非定常气动干扰,影响整机的动力学特性。针对此问题,采用计算流体动力学(CFD)计算方法,在刚体假设和不可压流假设下获得无人机机身在前飞工况下受力与力矩的非定常变化情况,并进行风洞实验,验证CFD方法的... 详细信息

四旋翼无人机的旋翼对机身构成非定常气动干扰,影响整机的动力学特性。针对此问题,采用计算流体动力学(CFD)计算方法,在刚体假设和不可压流假设下获得无人机机身在前飞工况下受力与力矩的非定常变化情况,并进行风洞实验,验证CFD方法的合理性和计算结果的准确性。采用快速傅里叶变换方法,得到机身所受旋翼气动干扰的模态,从而在干扰力和力矩的变化频率与大小方面进行分析。结果表明:机身所受旋翼的气动干扰与旋翼的转速相关,并且可以由一个5阶傅里叶级数较好地拟合;相对于后旋翼,前旋翼对机身的气动干扰更强;经过简化,单1阶模态的傅里叶级数可以描述升力变化的主要特点,1~3阶模态的傅里叶级数可以描述阻力变化的主要特点;俯仰力矩的周期变化规律可以用单2阶模态的傅里叶级数描述,变化细节可以用1~4阶模态的傅里叶级数描述。

关键词：四旋翼无人机机身非定常气动干扰计算流体力学模态分析

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大跨域条件下的自适应滚转稳定容错控制方法

航空学报 2021年第3期42卷 387-396页

作者：王雨辰林德福王伟纪毅北京理工大学宇航学院北京100081 无人机自主控制技术北京重点实验室北京100081

制导弹药在执行大跨域飞行任务时,其滚转扰动系数随速度、高度和攻角高频大幅值非线性变化,对制导弹药滚转通道稳定性造成了恶劣的影响。此外,时间滞后与控制失效等执行机构动力学特性进一步增加了滚转通道稳定性的控制难度。针对上述问... 详细信息

制导弹药在执行大跨域飞行任务时,其滚转扰动系数随速度、高度和攻角高频大幅值非线性变化,对制导弹药滚转通道稳定性造成了恶劣的影响。此外,时间滞后与控制失效等执行机构动力学特性进一步增加了滚转通道稳定性的控制难度。针对上述问题,设计了一种强鲁棒性的自适应滚转稳定容错控制方法。首先,在考虑执行机构失效动力学特性条件下建立了制导弹药滚转通道的数学模型,将系统不确定性和扰动项视为外部扰动,设计一种基于自适应滑模控制理论的强鲁棒滚转稳定控制方法,以补偿非线性变化项及执行机构失效。在此基础上,进一步考虑了执行机构动力学滞后特性,利用反步法设计了一种考虑执行机构动力学的控制方法,以补偿执行机构动力学滞后特性,提高弹体的响应速度。仿真结果表明所设计控制方法对气动扰动有较强鲁棒性以及在故障处理方面的优势。

关键词：制导弹药滚转通道自适应滑模控制执行机构失效执行机构动力学滞后 backstepping技术

基于LESO的新型自适应鲁棒滚转通道控制算法

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兵工学报 2023年第7期44卷 1920-1929页

作者：王治霖王江祁琪范世鹏北京理工大学宇航学院北京100081 无人机自主控制北京市重点实验室北京100081 北京航天自动控制研究所北京100854

针对导弹大攻角飞行时,滚转通道数学模型具有严重非线性、不稳定、多变量耦合以及模型不确定等特点,设计一种滚转通道自适应鲁棒控制方法。利用线性扩张状态观测器,基于弹上有限信息完成气动非线性项等扰动的在线估计。将新型自适应滑... 详细信息

针对导弹大攻角飞行时,滚转通道数学模型具有严重非线性、不稳定、多变量耦合以及模型不确定等特点,设计一种滚转通道自适应鲁棒控制方法。利用线性扩张状态观测器,基于弹上有限信息完成气动非线性项等扰动的在线估计。将新型自适应滑模控制律与线性扩张状态观测器相结合,实现干扰的在线估计与补偿。通过自适应参数的快速调节,保证系统稳定性的同时缩短响应时间,使滚转角和滚转角速率能够在有限时间内快速收敛,并有效削弱抖振现象,增强系统的抗扰能力。数学仿真验证结果表明,所提控制方法与传统线性方法相比,快速性与鲁棒性等性能均有显著提升,且在典型故障处理方面具备容错控制能力。

关键词：滚转通道控制滑模控制扩张状态观测器自适应鲁棒控制

基于事件触发机制的多飞行器有限时间协同制导方法

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宇航学报 2023年第6期44卷 946-956页

作者：纪毅李俊贤王伟闫华杰范军芳北京信息科技大学自动化学院北京100192 高动态导航技术北京市重点实验室北京100192 北京理工大学宇航学院北京100081 无人机自主控制技术北京市重点实验室北京100081

针对多飞行器目标齐射问题,提出一种基于事件触发机制的有限时间一致性协同制导方法,通过事件触发机制减少控制指令生成与通信频次,进而降低了信道负载,提升了通信效率与可靠性。首先,设计了两阶段制导律,第一阶段使各飞行器的中间变量... 详细信息

针对多飞行器目标齐射问题,提出一种基于事件触发机制的有限时间一致性协同制导方法,通过事件触发机制减少控制指令生成与通信频次,进而降低了信道负载,提升了通信效率与可靠性。首先,设计了两阶段制导律,第一阶段使各飞行器的中间变量一致性误差收敛至一小区间,第二阶段利用三维比例导引律完成制导。其次,将多飞行器系统制导动力学模型整理为二阶多智能体动力学系统,并通过设计终端滑模面将其降阶为一阶多智能体动力学系统。最后,基于事件触发机制,分别设计了集中式与分布式一致性制导方法。理论分析与仿真结果验证了上述方法的有效性、有限时间收敛性与Zeno现象规避性。

关键词：多飞行器协同制导两阶段制导有限时间一致性事件触发机制终端滑模

刚弹性耦合的高超声速飞行器自适应有限时间控制

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中国惯性技术学报 2023年第11期31卷 1132-1141页

作者：范军芳唐文桃纪毅李亚峰王伟北京信息科技大学自动化学院北京100192 高动态导航技术北京市重点实验室北京100192 北京理工大学宇航学院北京100081 无人机自主控制技术北京市重点实验室北京100081

针对高超声速飞行器刚性-弹性耦合动力学特性诱发的再入姿态稳定控制难题,提出了一种具有有限时间收敛功能的自适应积分Lyapunov控制方法。建立了刚性-弹性耦合动力学模型,将弹性模态与外部不确定性视为归一化扰动,构造辅助误差补偿子... 详细信息

针对高超声速飞行器刚性-弹性耦合动力学特性诱发的再入姿态稳定控制难题,提出了一种具有有限时间收敛功能的自适应积分Lyapunov控制方法。建立了刚性-弹性耦合动力学模型,将弹性模态与外部不确定性视为归一化扰动,构造辅助误差补偿子系统。设计自适应律跟踪归一化扰动,可使姿态跟踪误差在有限时间内收敛,同时增强积分Lyapunov控制方法的鲁棒性。此外,为解决传统反步法控制的“微分爆炸”问题,引入一阶线性滤波器,避免了直接求导,得到了平滑且可执行的控制指令。仿真结果表明:所提控制方法在气动参数摄动±20%的条件下,实现速度跟踪误差不大于0.1 m/s,高度跟踪误差不大于0.5 m,可有效抑制弹性模态和外部扰动对姿态控制的不利影响。

关键词：高超声速飞行器刚性-弹性耦合自适应方法积分Lyapunov控制有限时间收敛

基于最大似然估计和混合梯度优化的射手模型辨识

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兵工学报 2018年第12期39卷 2399-2409页

作者：吴骏雄林德福王辉袁亦方北京理工大学无人机自主控制技术北京市重点实验室北京100081 北京特种机电研究所北京100012

光纤制导过程中射手对于光电显示的响应及其控制行为将直接影响弹药的制导控制性能。针对此问题,将最大似然估计法应用于射手模型辨识研究中。为解决辨识过程中遇到的非线性优化问题,采用遗传算法和高斯-牛顿优化算法混合策略提高寻找... 详细信息

光纤制导过程中射手对于光电显示的响应及其控制行为将直接影响弹药的制导控制性能。针对此问题,将最大似然估计法应用于射手模型辨识研究中。为解决辨识过程中遇到的非线性优化问题,采用遗传算法和高斯-牛顿优化算法混合策略提高寻找全局最优解的概率,并使用单纯形法提高算法鲁棒性。基于交叉原理提出适用于导引头回路的精确模型,设计仿真实验平台并进行了多轮次人在回路实验,将输出误差框架下的最大似然估计方法成功应用于实验数据中。结果表明:混合梯度优化算法能够找到全局最优值,辨识模型能够准确反映射手本身的动态特性,辨识方法和辨识的射手模型对于光纤寻的弹药制导控制系统设计具有一定的实际意义。

关键词：光纤图像制导武器射手模型交叉模型最大似然估计混合梯度优化输出误差法遗传算法高斯-牛顿优化

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非对称机动能力多无人机智能协同攻防对抗

航空学报 2020年第12期41卷 337-349页

作者：陈灿莫雳郑多程子恒林德福北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学无人机自主控制技术北京市重点实验室北京100081

协同攻防对抗是未来军用无人机的重要作战场景。针对不同机动能力无人机群体间的攻防对抗问题,建立了多无人机协同攻防演化模型,基于多智能体强化学习理论,研究了多无人机协同攻防的自主决策方法,提出了基于执行-评判(Actor-Critic)算... 详细信息

协同攻防对抗是未来军用无人机的重要作战场景。针对不同机动能力无人机群体间的攻防对抗问题,建立了多无人机协同攻防演化模型,基于多智能体强化学习理论,研究了多无人机协同攻防的自主决策方法,提出了基于执行-评判(Actor-Critic)算法的集中式评判和分布式执行的算法结构,保证算法稳定收敛的同时,提升执行效率。无人机的评判模块使用全局信息评价决策优劣引导策略学习,而执行时只需要依赖局部感知信息进行自主决策,提高了多机攻防对抗的效能。仿真结果表明,所提的多无人机强化学习方法具备较强的自进化属性,赋予了无人机一定智能,即稳定的自主学习能力,通过不断演化,能自主学习提升协同对抗的决策效能。

关键词：多无人机协同攻防对抗强化学习集中式评判分布式执行

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四旋翼无人机旋翼-机身非定常气动干扰特性

兵工学报 2021年

作者：朱毅飞林德福莫雳叶建川北京理工大学宇航学院北京理工大学无人机自主控制技术北京市重点实验室

四旋翼无人机的旋翼对机身构成非定常干扰，影响整机的动力学特性。针对此问题，采用计算流体力学(CFD)计算方法，在刚体假设和不可压流假设下获得无人机机身在前飞工况下受力和力矩的非定常变化情况，并进行风洞实验，验证CFD方法的合... 详细信息

四旋翼无人机的旋翼对机身构成非定常干扰，影响整机的动力学特性。针对此问题，采用计算流体力学(CFD)计算方法，在刚体假设和不可压流假设下获得无人机机身在前飞工况下受力和力矩的非定常变化情况，并进行风洞实验，验证CFD方法的合理性和计算结果的准确性。采用快速傅里叶变换方法，得到机身所受旋翼气动干扰的模态，从而在干扰力和力矩的变化频率和大小方面进行分析。结果表明，机身所受旋翼的气动干扰与旋翼的转速相关，并且可以由一个5阶傅里叶级数较好地拟合，且相对于后旋翼，前旋翼对机身的气动干扰更强。经过简化，单1阶模态的傅里叶级数可以描述升力变化的主要特点，1～3阶模态的傅里叶级数可以描述阻力变化的主要特点，俯仰力矩的周期变化规律可以用单2阶模态的傅里叶级数描述，变化细节可以用1～4阶模态的傅里叶级数描述。

关键词：四旋翼机身非定常气动干扰计算流体力学模态分析

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一种基于迁移学习的多任务制导算法

兵工学报 2023年

作者：罗皓文何绍溟亢有为北京理工大学宇航学院上海机电工程研究所北京理工大学无人机自主控制技术北京市重点实验室

针对典型的飞行器制导任务，利用深度学习算法可以有效地拟合导弹飞行状态与制导指令之间的函数关系。然而当制导任务发生变化时，其二者之间的映射关系也会随之改变，从而导致在当前环境下预训练好的模型无法直接作用于新环境，重新训... 详细信息

针对典型的飞行器制导任务，利用深度学习算法可以有效地拟合导弹飞行状态与制导指令之间的函数关系。然而当制导任务发生变化时，其二者之间的映射关系也会随之改变，从而导致在当前环境下预训练好的模型无法直接作用于新环境，重新训练制导模型需要大量的弹道数据和巨额的时间成本。为解决上述问题，基于迁移学习的思想引入域对抗神经网络，提出基于迁移学习的多任务制导算法。以一个含有大量标签数据的源域任务辅助两个含有极少量标签数据的目标域任务进行迁移学习，从而克服预训练与在线控制之间的环境差异。使用特征提取器和域判别器提取出对任务环境不敏感的关键特征，使神经网络学习到各个任务所共享的底层信息；为提高预测精度，分别设计针对不同任务的偏置加速度预测器。数值仿真结果表明，基于迁移学习的多任务制导算法实现了导弹在不同任务中的加速度指令预测。

关键词：多任务约束计算制导深度学习迁移学习偏置比例导引