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空军工程大学张鹏教授团队丨非仿射模型驱动的无尾飞行器轨迹跟踪控制

已有 239 次阅读 2026-6-23 16:01 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

编辑荐语

本期将给大家分享"非仿射模型驱动的无尾飞行器轨迹跟踪控制(Trajectory tracking control for tailless aerial vehicles driven bynon-affine model)". 如您对本期相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

本文聚焦于无尾飞行器(TAV)这一未来穿透性制空作战的关键装备, 针对其轨迹跟踪控制研究中模型参数与结构不确定性突出、气动特性复杂导致航迹角微分方程呈现强非仿射特性的核心难题, 提出了一套系统性的解决方案. 研究从模型建立、模型转换与控制器设计三方面协同发力: 首先, 分别为平动与转动子系统建立了面向控制器设计的非仿射与仿射模型, 兼顾了模型精度与设计便利性; 其次, 创新性地提出了一种伪仿射模型转换新方法, 通过综合分析泰勒展式与不等式约束的利弊, 在保留模型非仿射特性的同时避免了传统转换方法导致的控制律失效风险; 在此基础上, 针对平动子系统设计了基于非仿射模型的自适应滑模控制器, 针对转动子系统设计了基于反推法的非线性动态逆控制器, 并进一步考虑了执行器幅值与带宽受限下的矢量推力与气动舵复合控制分配. 仿真结果表明, 所设计的控制器不仅实现了稳定的轨迹跟踪控制, 还展现出很强的鲁棒性. 本工作填补了TAV轨迹跟踪控制领域的研究空白, 为高隐身、高机动飞行器的精确控制提供了兼具理论创新性与工程可行性的新范式.

论文介绍

非仿射模型驱动的无尾飞行器轨迹跟踪控制

Trajectory tracking control for tailless aerial vehicles driven by non-affine model

王应洋1, 张鹏1†, 郭庆1, 丛继平2, 苏茂宇3

机构: 1. 空军工程大学装备管理与无人机工程学院; 2. 中国人民解放军93525部队; 3. 中国人民解放军93057部队

引用: 王应洋, 张鹏, 郭庆, 等. 非仿射模型驱动的无尾飞行器轨迹跟踪控制. 控制理论与应用, 2026, 43(5): 961 – 978

DOI: 10.7641/CTA.2025.40490

全文链接:

http://jcta.alljournals.ac.cn/cta_cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=CCTA240490&flag=1

摘要

无尾飞行器(TAV)是未来穿透性制空作战的重要力量. 目前, TAV研究尚处在气动设计与姿态控制阶段, 轨迹跟踪控制研究较少. 本文针对具有模型参数与结构不确定性的TAV轨迹跟踪控制问题进行研究. 由于TAV气动特性复杂, 航迹角微分方程具有很强的非仿射特性, 传统的伪仿射转换方法可能导致控制器失效. 为此, 本文从模型建立、模型转换与控制器设计3方面入手设计适应性强的轨迹跟踪控制器. 首先, 针对平动与转动子系统分别建立面向控制器设计的非仿射与仿射模型. 然后, 通过分析泰勒展式与不等式约束两种方式处理非仿射函数的利弊, 提出一种模型伪仿射转换新方法, 保留模型非仿射特性的同时避免控制律失效. 针对平动子系统, 基于非仿射模型设计滑模控制器; 针对转动子系统, 基于反推法设计非线性动态逆控制器. 最后, 在执行器幅值与带宽受限下, 设计考虑矢量推力的复合控制分配方法. 所设计的控制器不仅能实现稳定的轨迹跟踪控制, 还具有很强的鲁棒性, 仿真结果证明了控制器的有效性.

引言

随着穿透性制空作战样式的兴起, 超音速、高隐身与强生存能力成为下一代有人/无人作战飞机的基本要求[1–2] . 舍弃垂尾可显著降低雷达反射面积, 提高飞行器隐身性能; 采用冗余气动舵可显著提高飞行器生存能力. 因此, 无尾飞行器(tailless aerial vehicle, TAV)将成为穿透性制空作战的重要力量[3] . 飞行控制系统是确保TAV安全飞行、顺利完成任务的关键[4] . 但没有尾翼使得TAV操纵控制困难, 传统气动布局飞机的控制方法难以实现大量气动舵与矢量推力的协同控制, 且鲜有文献针对TAV设计轨迹跟踪控制器[5] . 针对TAV, 如何进行控制系统建模、控制律设计与控制分配一直是学术界关注的焦点与难点.

现有飞行器控制器设计所依据的模型通常是流体力学仿真、风洞试验或飞行试验所得到的多项式拟合模型简化而来. 为便于控制器设计, 部分文献通常假设系统状态变化率随输入线性变化, 即二者之间是仿射关系[6–7] . 但对于非仿射特性突出的TAV而言, 在控制器设计过程中忽视非仿射特性可能导致系统不稳定. 随着控制理论的发展, 非仿射系统建模与控制方法获得了广泛的研究[8–10] , 包括系统不确定性处理[11]、性能约束[12–13]与多输入多输出[14]等针对性问题.

在飞行控制领域, 非仿射控制研究主要集中于飞行器纵向通道控制[15] . 文献[16]假设模型中非仿射函数偏导数存在且有界, 将乘波体飞行器纵向模型伪仿射化, 并利用神经网络估计未知非线性项, 设计出自适应鲁棒控制器. 神经网络使得控制器结构复杂且实时性降低. 由于执行器死区非线性的影响, 微分方程中非仿射函数未必可导, 文献[17]基于一种宽松的不等式约束, 针对高超声速纵向通道模型, 设计了具有性能约束的高度跟踪控制器. 该方法不需要任何估计器, 但控制律参数设置困难, 难以实现大包线范围的飞行.

针对飞行器轨迹跟踪控制问题, 文献[6]针对传统布局飞行器, 研究了制导控制方法, 由于面向控制器设计的模型为仿射形式的微分方程, 所设计的控制器只有在飞行器姿态角小范围变化才适用. 为充分利用模型信息, 减小调参难度, 文献[18–19]基于逆动力学方法, 利用位置指令解算出理想的航迹角指令信号, 再利用航迹角解析出气流角指令信号. 由于缺乏对平动子系统的闭环控制, 轨迹跟踪容易产生累计误差. 目前, 飞行器轨迹跟踪控制研究主要集中在传统气动布局飞行器[20] , 鲜有推广到TAV.

虽然国内外在TAV飞行控制研究方面取得了一定的进展, 但现有的仿射与非仿射控制方法不宜直接迁移到TAV的轨迹控制问题上. 一方面, TAV气流角微分方程存在很强的不确定性与耦合性. 仿射控制方法假设气动力与气流角关系已知, 且可分离出控制输入, 基于该假设条件设计的动态逆控制方法适用性差. 另一方面, TAV状态和输入量以离散数据表进行存储, 力/力矩系数变化存在局部的非单调非线性[21–22] . 综上所述, 本文拟围绕TAV轨迹跟踪控制问题进行研究, 主要创新点如下:

1) 建立面向控制器设计的“仿射+非仿射”内外环模型. 该模型不仅可以充分利用飞行器已知仿射信息与数学解析关系, 还保留了实际系统的非仿射关系.

2) 针对所建立的TAV非仿射模型, 提出一种新的模型转换方法, 避免基于假设条件“非仿射函数可偏导”设计的控制器失效风险, 同时降低了基于不等式约束设计控制律的调参难度.

3) 针对TAV平动子系统, 设计包含位置与速度误差的误差面, 并引入滑模自适应控制方法, 以实现平动子系统的闭环控制, 确保轨迹跟踪控制的准确性, 避免逆动力学方法中累计轨迹跟踪误差.

4) 在非仿射舵效模型的基础上, 引入有效集二次规划增量非线性控制分配方法, 解决了执行器幅值与变化率受限下, 矢量推力与气动舵的复合控制分配问题.

结论

本文针对具有模型非仿射特性、模型不确定性与外部干扰的TAV轨迹跟踪控制问题, 进行了理论与仿真研究. 首先, 针对非仿射模型转换问题, 综合非仿射函数可导条件与不等式约束, 提出了非仿射模型伪仿射转换新方法. 然后, 针对轨迹跟踪控制问题, 将TAV动态模型分解为平动子系统、转动子系统与力矩分配3个模块: 平动子系统基于误差面设计自适应滑模控制器; 转动子系统基于反推法设计自适应动态逆控制器; 执行器环节基于增量二次规划设计气动舵与矢量推力复合控制分配律. 最后, 通过8字机动与盘旋上升两组仿真验证了本文所设计的非仿射自适应控制方法较传统的控制器更为有效、可靠. 后期可围绕TAV规划控制一体化问题进行研究.

作者简介

王应洋讲师, 博士, 目前研究方向为无人机运动规划与飞行控制;

张鹏教授, 博士, 目前研究方向为无人机集群自主任务控制;

郭庆副教授, 博士, 目前研究方向为无人机集群自主任务控制;

丛继平任务规划师, 博士, 目前研究方向为无人机智能任务规划;

苏茂宇任务规划师, 硕士, 目前研究方向为无人机智能任务规划.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）。

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