《欠驅動質量矩飛行器姿控系統最佳化及設計方法研究》是依託哈爾濱工業大學，由姜宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：欠驅動質量矩飛行器姿控系統最佳化及設計方法研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：姜宇
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
質量矩飛行器姿態控制系統以其環境適應能力強，可完全置於飛行器內部等其它姿控系統所無法替代的優點正逐漸成為新一代飛行器姿控系統的首選方案。本課題基於現有全驅動質量矩飛行器姿控系統的研究成果，提出欠驅動質量矩飛行器姿控系統一體化最佳化及設計方案，主要研究：1.考慮質量塊移動機構動態的欠驅動質量矩飛行器姿態控制系統一體化建模問題；2.基於能控度指標體系的欠驅動質量矩飛行器姿控系統特徵參數最佳化設計問題；3.基於非光滑反饋控制理論的欠驅動質量矩飛行器姿控鎮定控制問題和跟蹤控制問題。通過本課題的研究工作，可在理論上完善高階欠驅動系統結構最佳化理論和控制理論，建立起一套有助於工程實現的欠驅動質量矩飛行器姿控系統分析與設計框架，為進一步最佳化質量矩飛行器姿控系統運載質量，增強系統的可靠性和安全性提供解決方案。
結題摘要
本課題針對高超聲速無動力滑翔飛行的質量矩飛行器，採用傾斜轉彎控制方式，設計具有較大升阻比的氣動外形，分別在軸向與徑向安裝一套直線運動的質量塊執行機構，推導兩個質量塊運動與轉動慣量矩陣、氣動力矩之間的數學關係，基於拉格朗日方法建立欠驅動質量矩飛行器姿態與執行機構一體化控制模型。 開展欠驅動質量矩飛行器姿控系統特徵參數最佳化設計研究。考慮高空無外力情況下質量塊運動角動量集合的幾何空間分布，建立期望姿態與所對應系統狀態的動量水平集合之間的關係，基於李代數秩條件對姿控系統在動量水平集合中的可控性進行分析，最大限度的擴大滿足系統可控性條件的非零狀態集合，且系統可控性不依賴於質量塊的個數與安裝構型。另一方面，在存在氣動力情況下將質量塊位置輸入有界情況下欠驅動自由度方向上姿態角的恢復區域定義為欠驅動質量矩飛行器的能控度指標，並將該能控度指標作為最佳化設計的目標函式，建立能控度指標與特徵參數之間的函式關係，給出欠驅動質量矩飛行器特徵參數最佳化設計時需要滿足的約束條件，最佳化設計出系統的最優特徵參數。 開展欠驅動質量矩飛行器姿控系統控制律設計研究。提出基於線性Lipschitz 曲面作為切換面的欠驅動質量矩飛行器姿態滑模變結構設計方法，通過傳統滑模控制方法設計偏航姿態控制律，保證偏航角保持穩定在零點附近，同時將系統的欠驅動約束轉化為對兩個質量塊的位置約束。其次，採用線性Lipschitz曲面作為滾轉和俯仰姿態鎮定控制律的切換面，增加滾轉和俯仰姿態控制律設計過程中的參數自由度，來滿足偏航姿態控制設計中對兩個質量塊的位置約束。根據姿態角偏差處於不同區域設計非光滑切換面，基於非光滑Backstepping方法反演姿態角速度得到期望控制律滿足的條件，同時，基於等效原理採用廣義逆方法求解滿足欠驅動軸姿態控制要求的鎮定控制律，並利用全局相依錐判據保證非光滑切換面滿足滑模到達條件和存在條件，最終實現閉環系統在狀態空間的不同區域具有不同的收斂特性，通過等效原理實現了對飛行器三個姿態的控制目標。仿真結果表明，通過質量塊的移動能夠在無偏航的前提下將欠驅動質量矩飛行器的過載平面快速地調整到期望的位置，產生期望大小的過載。
