使用形变装置序列控制微型飞行器的问题研究

飞行器姿态控制技术的研究与应用飞行器姿态控制技术是一门复杂的学科，技术的研究和应用涉及到航空航天、机械工程、电子科学、计算机科学等多个学科。

目前，随着科技的快速发展，飞行器姿态控制技术已经得到广泛应用。

本文将系统地探讨飞行器姿态控制技术的研究与应用。

一、飞行器姿态控制技术的原理飞行器姿态控制技术主要是通过计算机控制螺旋桨、喷气、燃气轮机等动力装置的旋转，以及通过控制翼面的角度变化，使得飞行器的朝向稳定。

目前，最常用的控制原理是PID控制（比例积分微分控制），该控制方法依靠传感器（如陀螺仪、加速度计等）来感知飞行器的运动状态，进而采取一定的控制策略控制飞行器的姿态。

二、飞行器姿态控制技术的特点飞行器姿态控制技术具有以下特点：1.复杂性：飞行器姿态控制涉及到多种学科，需要多种传感器和控制算法相互协同，因此控制系统的复杂性较高。

2.耐切变性：在飞行状态下，飞行器容易受到外部环境（如风、空气湍流等）干扰，因此控制系统需要具有一定的耐切变性。

3.控制精度：飞行器姿态控制需要非常高的精度，只有精确控制飞行器的朝向，才能实现准确定位、准确制导等功能。

三、飞行器姿态控制技术的应用目前，飞行器姿态控制技术已经得到广泛应用。

以下是部分应用领域：1.航空制导：飞行器姿态控制技术在航空制导中得到广泛应用，可以使得导弹、卫星等航空器稳定飞行，达到精确制导的效果。

2.无人机应用：目前，随着无人机市场的不断扩大，飞行器姿态控制技术被广泛应用于无人机，可以使得无人机在各种环境下自主飞行或精确悬停，实现客户需求。

3.航空器自动驾驶：飞行器姿态控制技术是航空器自动驾驶的核心技术之一，可以让飞机自主实现起飞、降落、飞行等工作。

四、飞行器姿态控制技术的研究飞行器姿态控制技术的研究可以分为理论研究和实验研究两部分。

1.理论研究理论研究是飞行器姿态控制技术的基础。

在理论研究中，研究人员可以通过建立数学模型，分析姿态控制算法的稳定性、可控性等性能指标，进而对不同的算法进行比较和优化。

无人机形变感知与控制系统设计与优化随着无人机技术的不断发展和应用领域的扩大，无人机形变感知与控制系统的设计与优化成为了一个热门研究方向。

无人机形变感知与控制系统的设计与优化对于提高无人机的稳定性、灵活性和适应性具有重要意义。

本文将从无人机形变感知与控制系统的设计、传感器选择、控制算法优化以及实验验证等方面进行细致探讨。

首先，无人机形变感知与控制系统的设计是整个研究的核心。

在设计过程中，需要考虑无人机的形变感知能力和控制能力，以及两者之间的交互关系。

形变感知是指无人机对其自身形变状态的感知，包括变形量、变形速度等信息。

通过选择合适的传感器，如应变传感器、加速度传感器等，可以对无人机的形变状态进行监测和测量。

基于形变感知的结果，控制系统可以实现对无人机的形变控制，从而影响无人机的姿态和运动。

其次，传感器的选择对于无人机形变感知与控制系统的设计与优化起着至关重要的作用。

不同的传感器具有不同的测量精度、响应速度和适应性。

在选择传感器时，需要综合考虑无人机的应用环境、成本要求以及测量精度等因素。

例如，在高精度要求的应用场景中，可以选择光纤光栅传感器来监测无人机的形变状态；在低成本要求的场景中，可以选择惯性测量单元和压电传感器等传感器来实现无人机的形变感知。

此外，控制算法的优化也是无人机形变感知与控制系统设计与优化的重要方面。

无人机的形变控制需要借助控制算法来实现，在控制算法的设计中，需要考虑无人机的动力学特性、形变感知信息的处理和利用、控制器参数的调整等因素。

传统的控制算法如PID控制器可以实现无人机的形变控制，但对于复杂的形变控制问题可能存在性能不足的情况。

因此，需要借助现代控制理论和优化算法来提高控制算法的性能，如模糊控制、自适应控制和强化学习等。

最后，在无人机形变感知与控制系统设计与优化的研究中，实验验证是不可或缺的一部分。

通过搭建实验平台和进行实际飞行实验，可以验证无人机形变感知与控制系统的设计与优化的有效性和可行性。

智能变形飞行器发展与技术分析作者：晏浚译来源：《新一代》2018年第22期摘要：智能变形飞行器能够自动的对其外形进行改变，以便其能够在不同的飞行环境中更好的飞行，从而实现飞行器整体综合作战性能的提高。

由此可见，智能变形飞行器是未来飞行器发展的必然趋势。

智能变形飞行器是一种具有较强飞行适应能力的飞行器，其具有较好的发展前景。

笔者针对智能变形飞行器的发展进行了探究与分析，并提出了智能变形飞行器主要技术，希望有助于扩大智能变形飞行器的发展和应用前景。

关键词：智能;变形飞行器;技术一、智能变形飞行器的发展自莱特兄弟在美国使用飞行完成了人类史上第一次动力持续飞行后，飞行器便开始迅速发展，飞行器的外形也随之越来越丰富，同时飞行的高度和速度也得到了明显的提升，并且更加的灵活[1]。

但是，与飞行类的生物相比，人类发明的飞行器还具有较大的提高空间，很难像鸟类动物一样可以灵活的对自身的飞行状态进行调整，以此来适应不同的飞行环境，从而达到更好的飞翔于空中。

笔者在高中时期参与了科技创新与素质拓展活动，在航天飞行器设计制作中开始了智能变形飞行器的探索，如图1所示，通过动手实践更加对智能变形飞行器的发展前景予以远大的憧憬。

智能变形飞行器是一个全新的概念，它意味着飞行器的用途更加的广泛，形态更加的多样化，全新的科学技术、制作材料和前沿的工艺综合在一起，为科学幻想的实现奠定了坚实的基础。

智能变形飞行器可以在不同的飞行环境、飞行剖面以及任务和使命等做出适应性的变形，可以灵活的调整飞行高度、飞行速度以及飞行航迹，从而优化飞行性能。

同时，智能变形飞行器还可以根据需要对自身的隐身特性进行调整，具有目的性的减少或者增强飞行器的雷达散射面积。

国外已经对智能变形飞行器的变形开展了多年的研究，目前，相对来说，美国在智能变形飞行器变形研究方面处于领先的位置，智能变形飞行器变形技术发展十分迅速。

一些西方发达国家也先后针对智能变形飞行器变形研究的开展投入了较多的资金，部分智能化变形元件已经开始进行飞行测试和试验，智能变形飞行器在航空航天领域的应用指日可待。

第二十四届（2008）全国直升机年会论文小型无人倾转旋翼机飞行操纵控制系统研究郭剑东 宋彦国 夏品奇（南京航空航天大学 直升机旋翼动力学重点实验室，南京 210016）摘 要: 本文通过研究倾转旋翼机的飞行动力学模型，建立了小型无人倾转旋翼机在直升机、倾转及飞机飞行模式的飞行力学模型。

仿真计算得出配平工作点处各通道的操纵量和飞行器的飞行姿态，并提取了工作点处的线性模型。

采用特征结构配置理论实现了小型倾转旋翼机的角速率解耦控制（RCAH ），在各通道解耦的基础上利用经典控制理论完成了姿态保持控制（ACAH ）。

通过仿真结果表明设计的控制系统具有良好的指令跟踪性能。

关键词：倾转旋翼机；非线性方程；特征结构配置；引 言倾转旋翼机属于垂直起降飞行器（VTOL ：Vertical Take-Off and Landing ）的一个重要分支，兼有直升机和飞机的优点，具有直升机垂直起降和空中悬停，固定翼飞机高速前飞的特点[1、2]。

飞行模式多样，具有直升机飞行模式、过渡飞行模式和飞机飞行模式，过渡飞行模式的操纵与控制技术是亟待解决的关键技术。

近年来我国十分重视倾转旋翼机相关技术的发展和理论知识的积累。

本文针对小型无人倾转旋翼机建立了全量非线性飞行动力学数学模型，并在Matlab 的Simulink 的仿真环境中建立飞行力学仿真模型，展开该飞行器飞行性能与操纵控制策略的仿真。

1 小型无人倾转旋翼机飞行动力学模型 1.1 数学模型分析该飞行器飞行操纵控制策略的基础是系统的飞行动力学数学模型。

在分析时假定小型倾转旋翼机为刚体，在空中的运动有6个自由度，即质心的3个移动自由度和绕质心的3个转动自由度。

其机体坐标系如图1所示。

分别建立倾转旋翼机的旋翼、机翼、发动机短舱、机身、平尾、垂尾的风轴坐标系，在各自坐标系中计算气动力及力矩，最后将力及力矩通过坐标转换至重心，各部件的计算方法参考[3、4]，合外力及外力矩分别为：),,(,,z y x i M F i i =即),,(z y x i = (1)其中，下标ir 表示右旋翼，il 表示左旋翼，iw 表示机翼（包括副翼），ip 表示发动机短舱，if 表示机身，ih 表示平尾（包括升降舵），iv 表示垂尾（包括方向舵）。

第 37 卷第 2 期 2021 年 4 月V ol .37，No .2 Apr .，2021变体飞行器研究现状与关键技术分析王春彦（北京理工大学 宇航学院，北京 100081）摘 要：我国“十四五”规划中提到为了提高武器装备现代化的升级速度和智能化程度，在国防科技上必须实现自主性和创新性，并且需要聚力发展颠覆性的复杂技术。

可变形飞行器作为一种新兴前沿武器装备，已成为世界各主要军事强国重点发展的方向之一，在未来战场必将发挥颠覆性作用，对维护我国国家安全和发展利益具有重大意义。

本文将针对可变形飞行器的研究现状和发展进行综述。

关键词：智能化武器装备；变体飞行器；协调控制；动力学建模中图分类号：V271 文献标识码：A 文章编号：1004-9444（2021）02-0031-04收稿日期：2021-03-26基金项目：国家自然科学基金青年项目“基于预估器的时延多智能体系统分布式一致抗干扰研究”（61803032）。

作者简介：王春彦（1983-），男，山东曹县人，特别研究员，博士生导师，博士，主要从事先进控制理论及其在飞行器 系统中的应用研究。

德州学院自动化专业2006届毕业生。

一、变体飞行器国内外研究现状美国国家航空航天局与美国空军于1979年共同开展了一个名为“任务自适应机翼”（MAW）的项目，并如图1所示，在型号为AFTI/F-111上进行飞行试验[1]。

接下来，NASA为了着重研究应用于机身的智能设备组件，开展了变形飞行器（Aircraft Morphing）项目[2]。

图1 美国MAW项目在AFTI/F-111上的试验为了验证主动柔性机翼概念对未来多用途战斗机的意义[3]，美国空军、罗克韦尔公司和NASA三方在1985年共同进行了主动柔性机翼项目的研究。

而后，美国国家航天局于1996年将主动柔性机翼项目进一步扩展为主动气动弹性机翼（Active Aeroelastic Wing，AAW）项目，并在F/A-18上进行了飞行试验[4]，如图2所示。

简析航天飞行器控制技术研究现状与发展趋势1 航天飞行器控制领域前沿问题与挑战 1.1 可靠进入空间的控制前沿问题与挑战经过40 多年的不懈努力, 我国的运载火箭得到了长足的发展, 独立自主地研制了14 种不同型号的长征系列运载火箭, 具备发射近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道等多种轨道有效载荷的运载能力, 入轨精度达到国际先进水平. 虽然我国运载火箭已取得举世瞩目的成就, 已在世界商用航天发射市场占有一席之地, 并且通过了高密度发射的考核, 控制技术得到了充分验证, 但是与国外先进的航天运载技术相比, 还存在一些不足: 1) 运载火箭应对故障的能力不足: 由非灾难性故障而导致发射任务难以顺利完成或失败, 而这些故障往往可以通过理论方法来克服, 需要具备能够采用诊断和预测的方法进行系统故障的监控、检测、隔离, 能够评估系统故障的影响并为任务调整提供决策支持的能力, 对设备的维护和更换提供指导性建议. 2) 火箭发射成本和经济性有待进一步提升: 我国运载火箭与国外相比, 入轨精度处于同一个量级甚至更高, 但现役运载火箭的价格优势正在逐步丧失, 同时也暴露出运载能力不足、发射准备周期长、任务适应性差的缺点, 难以满足高效率、多样化的航天发射和空间运输需求. 3) 对任务的适应能力存在不足: 火箭对发射零时的要求较高, 现有方法不具备对发射时间敏感任务的适应性.控制系统是运载火箭的神经中枢, 提高控制系统的可靠性, 对于提高整个运载系统的可靠性至关重要. 因此, 可以通过制导与控制理论方法的革新来提高运载火箭的可靠性、经济性. 同时, 系统的高可靠性要求也对控制系统的设计提出了更高的挑战. 挑战1. 对环境载荷影响的控制问题由于对大气、引力等环境因素的影响机理尚未完全认知, 故而未能对环境载荷的影响实现有效控制, 导致火箭采取保守设计加强了结构强度, 大大影响了运载能力和有效投送比. 如从制导控制角度能降低环境载荷不确定性的影响, 将有助于降低运载火箭总体结构质量, 提升有效运载能力. 挑战2. 对故障的诊断与应对能力当前运载火箭制导控制系统在面对典型非致命的动力、控制机构等故障时缺乏自适应能力, 导致对非灾难性故障的应对能力不足.1.2 空天飞行器的控制前沿问题与挑战空天飞行器集航空、航天技术于一身, 兼有航空器和航天器的特点与功能, 既可以像普通飞机一样在稠密大气层内飞行, 又可以在近空间稀薄大气层内作高超声速巡航飞行, 还可以穿过大气层进入轨道运行. 归纳起来空天飞行器具有五个方面的特点: 1) 任务维数多: 主要包括在轨运行、再入返回两类任务, 在轨飞行任务包括初态建立、轨道机动、轨道维持、高精度对地观测、在轨稳定运行等任务模式, 是迄今最为复杂的一类飞行器. 2) 飞行状态跨度大: 飞行空域跨越几百公里地球轨道至地球表面, 速度跨越水平着陆低速到第一宇宙速度, 在轨飞行时间达到200 天以上, 再入返回时间约3 000 s 左右, 经历的环境温度从零下几十度到1 000 度以上. 3) 飞行环境恶劣: 跨越纯空间、稀薄流区和稠密大气层, 经历空间辐照、高低温、气动热等复杂环境. 4) 动力学特性复杂: 包括轨道动力学和再入动力学, 为适应不同飞行环境, 配备了RCS (Reactioncontrol system) 和多操纵气动舵, 如体襟翼、升降舵、V 形垂尾、阻力板等, 姿控系统结构复杂, 且多气动舵结构导致姿控系统存在多维强耦合特性. 5) 升力式返回模式: 出于任务需要和时间限制,空天飞行器再入模式与飞船完全不同, 它采用升力式再入模式, 从轨道快速返回, 利用高升力体外形在临近空间长时间非惯性、大范围横向机动飞行.从这些特点可以看出, 空天飞行器具备卫星、导弹和飞机的特性, 是航空航天技术的融合. 空天飞行器具有多任务、多工作模式、大范围高速机动等特点, 其控制问题是国内外相关研究机构和学者关注的热点领域之一, 是我国一种未曾实现过的制导控制模式, 其理论和方法需进一步完善、创新和发展,对我国控制技术提出了新的需求和挑战. 挑战3. 如何有效、安全地从轨道空间返回一直以来都是制约航天发展的一个重要难题, 传统的航天器变轨模式需要创新大部分航天器仅具备轨道平面内的机动能力,异面变轨需要消耗相当大的速度冲量, 超出航天器本身能力. 如能够利用空天飞行器升力体外形, 通过降低轨道高度, 利用稀薄气动力进行辅助变轨, 同时采用发动机弥补阻力损失, 将极大提高飞行器轨道机动能力. 国外上世纪80 年代就开始了研究, 并试图开展试验验证. 挑战4. 对理论和方法的挑战传统导弹、飞船的控制方法已经不能够完全满足现有需求, 需要针对空天飞行器的特点, 进一步完善、创新和发展制导与控制的基础支撑理论和方法.如混合异类多执行机构的控制与稳定性分析、抗失控敏感控制的理论和方法等. 挑战5. 对工程技术的挑战全自主飞行、长时间工作、设备可重用、满足多种任务、适应多种载荷的要求对控制技术提出了前所未有的挑战. 需解决多约束制导、强适应姿态控制、长时间工作条件下的高可靠设计等技术. 挑战6. 对试验验证能力的挑战控制系统长时间工作、在经历空间和大气层恶劣环境后设备可重用的要求对试验验证能力提出了新的挑战, 需解决对复杂系统进行有效验证的方法,如导航、制导与控制(Guidance navigation control,GNC) 系统容错技术的试验验证方法、控制系统设备的检测和验证能力、控制系统设备长时间工作的可靠性验证手段和方法等. 2 航天飞行器控制技术基础问题与关键技术航天飞行器制导与控制系统将以高可靠、高精度、强适应、自主飞行为特征, 具备快速任务响应、应急返回和故障飞行的能力, 能够满足未来空间作战、天地往返复杂飞行任务的需求. 在控制方面存在如下基础问题与关键技术: 1) 上升段最优在线轨迹规划控制技术上升段最优可重构控制技术主要是应对大气层内气动影响、飞行过程中可能出现的故障、实现自主、快速规划、发射, 来满足自主、快速、可靠、低成本进入太空的能力. 关键技术包括: 轨迹在线规划、制导控制回路可重构、在线故障识别与管理、风载荷控制、自主制导控制技术的验证和检验等. 2) 轨道返回与大气层高超声速多约束制导技术空天飞行器返回过程中跨越了真空、稀薄、稠密大气层三个阶段, 且必须满足各种复杂的过程约束、终端约束条件, 这要求制导系统应具有良好鲁棒性、自主性和自适应能力. 此外, 还需要解决轨道快速再入、多约束条件下的大范围横向机动飞行制导问题.关键技术包括: 天基离轨制动返回轨道规划与制导、大范围横向机动与规避飞行制导、末端能量管理制导等. 3) 空天一体全速域复杂结构飞行器姿态控制技术空天飞行器需要满足多任务、多工作模式、大范围机动的需求, 其在大范围机动飞行条件下存在大量的外界干扰和内部参数不确定, 为满足变轨和离轨所需的高精度姿态要求, 实现空天一体全速域飞行, 需解决姿态系统的多输入、高精度、强耦合、不确定控制问题. 关键技术包括: 基于随控气动布局的姿态控制、解耦与协调控制技术、抗失控敏感控制技术、耦合增稳控制技术等. 4) 冗余、重构飞行控制技术空天飞行器对控制设备结构外形、安装空间、重量、及其在多种环境下的适应性和可靠性, 太空辐照和严酷热环境下的热平衡能力及电磁兼容能力等均提出了很高的要求. 为满足长期在轨运行、适应恶劣环境的要求, 以及提升飞行器应对故障的能力, 需要解决控制系统的高可靠设计、故障下重构飞行控制问题. 关键技术包括: 控制系统冗余配置与高可靠设计技术、冗余度控制系统的故障检测与隔离技术、故障情况下制导控制系统的重构技术等. 5) 自主轨道机动飞行控制技术轨道机动任务主要是应对来袭目标、任务快速响应, 为提高作战效能, 需要解决满足快速机动要求的能量最优的变轨控制问题. 关键技术包括: 基于最小能量的快速变轨、自主接近与伴飞制导、轨道自主修正等. 6) 重复使用飞行器无动力自主进场着陆控制技术空天飞行器进场着陆时与飞机特性完全不同,飞机升阻比高达10 以上, 而空天飞行器升阻比仅为4 左右; 此外, 飞机或无人机进场着陆时可依靠发动机调节速度, 而空天飞行器为无动力下滑, 主要依靠阻力板进行精确的速度控制, 需要解决无动力条件下的自主进场着陆问题. 关键技术包括: 无动力自主进场着陆轨迹设计与制导技术、低速条件下抗风稳定飞行的姿态控制技术等. 7) 天对地精确打击精确制导技术高速下压飞行时,由于飞行器在稠密大气层高速飞行, 对高精度成像匹配定位和定速、精确制导等问题均提出了巨大挑战, 需要解决稠密大气层内高速飞行的精确制导问题. 关键技术包括: 降低铰链力矩的下压制导技术、高速下压机动飞行抛撒制导、复杂环境下目标自动探测与识别、强适应性复合制导信息处理技术等. 8) 合作目标与非合作目标相对导航在轨飞行过程中, 需要执行多种飞行任务, 飞行器需要具备对空间目标的探测、捕获、识别和跟踪能力. 需要解决合作目标与非合作目标的相对导航问题. 关键技术包括: 非合作目标近进相对导航、合作目标相对导航、空间弱小目标的探测与识别、空间目标的捕获与跟踪技术等. 3 航天飞行器控制技术研究进展 3.1 上升段制导真空飞行段在60 年代已实现闭环近似最优制导, 迭代制导、动力显式制导(Powered explicitguidance, PEG) 已应用于阿波罗计划中的土星系列火箭、航天飞机. 但由于缺乏快速可靠解决大气内最优制导问题的算法, 大气层内上升段一直采用开环制导方式.国外自70 年代开始对大气层内闭路制导进行研究, 努力向自主、快速进入太空目标迈进, 力图在有较大轨迹偏离及系统性能不确定性的情况下保证相同的有效载荷能力、大量减少发射前的制导规划和准备所必须的时间和人力, 已在基于最优控制理论的上升段最优制导方法方面获得一些进展, 但还没有工程实际应用. 3.2 升力式再入制导再入制导技术自20世纪50 年代至今, 已持续发展了半个多世纪. 对升力式再入飞行器而言, 20 世纪70 年代以后, 相关研究主要是针对航天飞机而展开的, 而针对航天飞机的再入制导律也是迄今唯一成熟的、反复经受了工程实践检验的升力式再入制导方法. 然而, 从20 世纪90 年代初开始, 为满足新一代天地往返可重复使用运载器对自主性、安全性、可靠性和精确性的苛刻要求, 开展了大量新型再入制导技术的研究开发和验证工作. 比较典型的研究工作有美国NASA 在1999 年启动的以X-33 为背景模型的先进制导与控制项目(Advanced guidanceand control, AGC), 该项目研究计划已完成了对多种制导控制技术的测试和评估工作, 已掌握长时间在轨飞行控制技术、解决了以轨道速度高升阻比再入航天器的离轨返回控制问题, 提出并创新了一系列先进再入制导方法: 1) 标准轨道跟踪再入制导: 具有控制律简单、容易实现、对机载计算能力要求较低的优点, 但也存在落地控制精度低、受再入初始条件误差和扰动因素影响大的不足. 具体包括航天飞机再入制导、基线制导(Baseline guidance)、线性二次调节(Linearquadratic regulator, LQR) 制导、演化的加速度制导(Evolved acceleration guidance logic for entry,EAGLE) 等. 2) 在线轨迹生成与跟踪制导技术: 包括准平衡滑翔制导、考虑热限制的在线轨迹生成与跟踪制导、基于实时积分的再入制导方法等. 3) 预测校正制导方法: 根据当前的飞行状态,预测落点及其偏差, 并在线调整控制指令, 因而对各种误差因素有较强的鲁棒性, 能满足自主精确再入的要求, 但控制算法较复杂, 对机载计算能力要求较高. 具体包括自适应预测校正再入制导律、三维预测校正算法等. 3.3 跳跃式再入制导探月飞船返回地球时, 航天器将以接近第二宇宙速度的高速再入地球大气层, 如果要求飞船在月球轨道上任意时刻都能执行返回地球的任务, 并最终保证航天器安全着陆于地球上的指定点, 这就要求飞船必须具有覆盖长纵程的飞行能力. 对于太空舱式的航天器, 由于它的升阻比较低, 飞出长的纵程唯一的方法就是采取跳跃式的再入飞行轨迹, 即航天器第一次进入大气层内, 然后跃出大气层外, 最后再一次进入大气层并着陆, 再入制导系统必须能够提供可行的跳跃再入轨迹和精确执行制导任务, 以保证着陆安全性和精度.飞行器跳跃式再入示意图. 针对这种低升阻比飞行器大航程飞行任务的需求, 在Apollo 再入制导基础上, 美国学者提出了两种跳跃式再入返回制导算法: 由NASA 研发的数值跳跃式再入制导律NSEG 和由Draper 实验室提出的PredGuid 再入制导律, 解决了以第二宇宙速度低升阻比跳跃式再入航天器的离轨返回控制问题. 3.4 气动控制目前,多数飞行器姿态控制系统的控制律主要是利用经典的单回路频域或根轨迹方法设计, 与奈奎斯特图、伯德图或根轨迹图相结合, 这种方法简单实用、物理意义清晰直观、设计过程透明、工程设计人员可清晰地看到系统的动态特性和性能是如何被修改的. 而且现行的飞行品质要求大多数是根据经典控制理论提出的, 设计依据充分, 设计人员凭借自身丰富的设计经验, 通过相应参数的调整, 最终可以设计出满足战场需要的控制系统. 由于新型航天器飞行高度变化大、速度变化范围跨度大、外界环境改变剧烈、飞行器飞行环境复杂, 航天器模型具有强耦合、强非线性、快时变、不确定性等特性, 针对此类型航天器, 姿态控制理论和方法在控制参数自适应、多通道交连解耦控制和控制的新理论与方法方面需要创新. 图3 所示为美国X-43A 飞行器多通道控制结构图.3.5 复合控制飞行器飞行中同时受到舵面气动力和部分发动机推力的作用, 用于改变控制飞行轨道与改变飞行姿态的途径, 称之为复合控制途径. 气动复合控制的方式多种多样, 主要是飞轮+RCS、RCS+多气动舵的复合控制问题, 虽然在工程上也得到了一些应用, 但还没有形成一套完善的系统设计方法、稳定性分析方法. 国外, 尤其是美国, 异类多执行机构复合控制技术已经在航天飞机、X-37B、HTV-2 得到了全面的应用和验证.4 对我国航天飞行控制技术发展趋势的思考基于国际范围航天飞行器控制技术的研究进展,以及后续发展存在的基础问题和关键技术, 我国运载系统未来的发展一方面要积极缩短与世界先进航天运载技术之间的差距; 另一方面要提高我国航天运载系统自身的国际竞争力, 促进中国航天的市场化、产业化、国际化发展进程. 进入太空上升段的发展趋势是高自主性、高可靠性、重复使用、低成本方向. 空天飞行器对国家安全具有重大的战略意义, 发展新型空间武器已迫在眉睫, 空天飞行控制将以高可靠、高精度、强适应、自主飞行为特征, 具备快速任务响应、故障重构飞行能力, 能够满足未来空间作战、天地往返复杂飞行任务的需求. 我国航天飞行控制技术应在以下方面加以重视: 1) 加强进入空间、空天飞行控制基础理论研究虽然美国在工程方面取得了巨大的成功, 但NASA 并不仅仅满足于此, 仍然制定了具有影响力的先进制导控制技术的研究计划, 对传统方法进行持续改进, 支持控制技术的革新换代. 我国应围绕重大前沿领域需求, 制定相应的飞行器先进制导与控制专题的重大研究计划, 牵引国内优势单位和研发团队开展研究. 比如, 要重视由飞行器创新性布局所导致的非线性动力学特征, 多学科交叉, 创新、多元、混合、异构控制作用的飞行器控制的新概念、理论与方法研究要重视在信息化环境中, 本来分离的飞行器控制、计算与通讯, 以及控制、决策与管理__的一体化趋势所带来的的新概念、理论与方法研究. 2) 重视多学科交叉研究美国HTV-2 两次失败凸显了交叉学科的问题.第一次在于气动力与控制问题: 飞行中HTV-2 的偏航角大于预先设计的偏航角, 而且耦合到了滚转操作中, 飞行器在滚转方向上发散; 第二次在于气动热与材料问题: 严重的气动热导致机体材料剥落, 引起气动发生变化. 而未来飞行器的新需求、新布局、新控制作用使得气动力、结构、动力装置和飞行控制耦合更紧密, 动力装置不仅提供动力, 还产生重要的控制作用, 不同控制作用之间存在有利的和不利的相互影响, 多轴控制力矩引起高度耦合, 我们更应加强多学科交叉的设计方法研究, 并积极探索多学科联合与协同的设计研发模式, 如开展综合产品设计(Integrated product design, IPD) 设计. 3) 加强飞行器和环境相互作用机理的研究面对称飞行器通道间耦合定量化描述存在不确定性, 对稳定控制带来了极大的挑战, 且飞行器与环境相互作用的机理复杂, 对高超声速再入飞行的影响尤为突出, 应加强飞行器和环境相互作用机理的研究. 要重视在非结构化环境下自主态势感知及评估、对不确定性的适应性自主、协同性自主、以及学习型自主的新概念、理论与方法研究. 4) 关注天地一致性问题随着工程研制的不断深入, 地面试验已无法全面覆盖高超声速飞行状态, 需要关注设计、试验和验证的天地一致性问题. 为此, 需提升基础能力建设,加强高逼真度仿真验证与评估问题的研究, 特别重视探索先进的理论与方法指导的, 采用数字化技术实现的, 高效、高可信度的控制系统的评估与确认方法. 5 结束语我国航天控制技术经过半个多世纪的发展, 已经走向了世界. 人们已经认识到进入空间飞行器和空天飞行器的相关控制问题在航天技术中举足轻重的地位, 并将持续不断地研究、探索与突破, 将为新型运载器的研制和空间控制技术的不断发展奠定新的基础, 也必将为实现我国航天事业的未来发展作出更大贡献.。

基于现代控制理论的飞行器自主控制研究一、引言随着科技的不断发展，飞行器的自主控制成为了研究的热点之一。

基于现代控制理论，可以提高飞行器的自主控制性能，使其具备更高的稳定性、精确性和适应性。

本文将探讨基于现代控制理论的飞行器自主控制研究。

二、传统控制理论的局限性传统的飞行器控制方法，主要采用PID控制器等经典控制方法。

然而，传统控制理论存在一些局限性。

首先，传统控制理论不够精确，难以实现对复杂系统的控制。

其次，传统控制理论缺乏适应性，无法应对外界环境的变化。

最后，传统控制理论对于非线性系统的控制效果不理想。

三、现代控制理论的基本概念为了克服传统控制理论的局限性，现代控制理论应运而生。

现代控制理论主要包括状态空间法、最优控制和自适应控制等方法。

1. 状态空间法状态空间法是一种将控制系统表示为多个状态变量的方法。

通过对系统状态进行观测和测量，可以实现对系统的控制。

状态空间法不仅可以处理线性系统，还可以处理非线性系统，因此被广泛应用于飞行器的控制中。

2. 最优控制最优控制是指在给定约束条件下，寻找使得系统性能达到最优的控制策略。

最优控制方法可以通过优化算法来实现，比如动态规划、最优化等方法。

最优控制方法可以提高飞行器的控制性能，使其具备更高的稳定性和效率。

3. 自适应控制自适应控制是一种能够根据外部环境和系统变化自主调整控制参数的方法。

自适应控制方法可以通过神经网络、模糊控制等方法来实现。

自适应控制方法可以使飞行器具备更好的鲁棒性和适应性。

四、基于现代控制理论的飞行器自主控制方法基于现代控制理论，可以开发出多种飞行器自主控制方法，如模型预测控制、滑模控制、自适应控制等。

1. 模型预测控制模型预测控制是一种基于系统数学模型的预测方法。

通过预测未来系统状态，可以通过优化算法计算出最优的控制策略。

模型预测控制方法可以提高飞行器的稳定性和控制精度。

2. 滑模控制滑模控制是一种通过引入滑模面来实现对系统控制的方法。

飞行器瞬态动力学与控制研究飞行器的瞬态动力学特性是指飞行器在飞行过程中，受到外部扰动后所表现出的响应特性。

这是研究飞行器控制的重要方向之一。

瞬态动力学的研究范畴涵盖了飞行姿态的快速变化、飞行速度的变化、燃油消耗等多方面。

因为飞行过程中很容易受到各种环境和气流等因素的影响，所以对瞬态动力学进行深入研究，可以提高飞行器的控制能力，优化飞行器的性能。

一、瞬态动力学的研究方法目前，对于瞬态动力学的研究，主要采用数学模型进行仿真分析。

首先，需要建立数学模型描述飞行器的瞬态动力学行为。

其次，通过仿真软件对模型进行仿真计算，得到飞行器在不同条件下的响应特性。

模型所考虑的影响因素包括：外部扰动、气动力、惯性力、引擎动力等。

最后，通过分析仿真结果，进一步优化控制算法，提高飞行器的性能。

二、瞬态动力学控制的研究方向1. 控制算法瞬态动力学控制最主要的研究方向，是开发适合不同瞬态动力学特性的控制算法。

例如飞行器在进行针对性任务时，需要快速而准确地调整飞行姿态，此时需要使用能够快速响应的控制算法。

而在某些飞行任务中，需要飞行器具备较好的稳定性和耐飞性，这就需要使用更稳定的控制算法。

因此，研究适合不同应用场景的控制算法是瞬态动力学控制的重要研究方向。

2. 传感器与执行器技术飞行器在飞行过程中需要大量的传感器和执行器，用于感知环境和控制飞行状态。

因此，研究如何提高传感器和执行器的准确性和响应性能，也是瞬态动力学控制的重要方向。

例如，在飞行过程中，如何确保传感器数据的准确性，如何快速响应环境变化等，这些都是值得探讨的问题。

3. 多智能体控制多智能体控制是近年来瞬态动力学控制领域的新兴方向。

在多智能体控制中，多个飞行器共同完成某项任务，并通过互相协作来提高飞行器的性能。

例如，多个飞行器协同完成地面目标侦查、海域搜索等任务。

研究多智能体控制，可以提高飞行器协同工作的效率和可靠性。

三、瞬态动力学控制的意义研究瞬态动力学控制的意义在于，能够提高飞行器飞行时的智能化和自主性，提高飞行器的稳定性和控制能力，降低飞行风险，扩大飞行机会。

形状记忆材料在可变形飞行器上的应用摘要：可变形飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能，大大提高飞行器的综合性能，是未来飞行器发展的重要方向之一。

形状记忆材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点，为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。

关键词：形状记忆，可变形飞行器1引言可变形飞行器可以根据不同的飞行任务和飞行环境改变自身形状，以获得最佳的气动性能，已经成为未来先进飞行器的重要特征和发展方向之一。

采用可变形技术，可以使飞行器实现减小阻力，提高升力，提高机动性能，减少起降距离，减少油耗，扩展航程，提高升限，在整个飞行包线上保持综合性能最优等。

变体飞行器需要一类具有轻质、大驱动力、大变形等特点的新一代材料和结构来实现，形状记忆材料和结构的出现满足了变体飞行器的需求[1]。

形状记忆材料和结构一般是指以最佳条件响应外界环境变化，且按这种变化显示自己功能的材料，具有自感知、自诊断、自驱动、自修复等能力，具有多功能性和感受环境变化（或刺激）响应。

压电材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物、电致活性聚合物、磁致伸缩材料、电流变材料、磁流变材料、光纤传感器等都可以归为智能材料和结构。

智能材料和结构具有轻质、高能量密度、自驱动、大变形、良好的传感特性、自修复等性能[2]。

2形状记忆材料的种类2.1形状记忆合金形状记忆合金是指将两种或多种金属组成合金线在一定原始外形下经过高温处理达到一种形状后急剧冷却，在较低温度环境下经过塑性变形并固定成目标形状后，升温到特定温度以上后，又能够恢复到原始形状的一类具有特殊性能的合金。

形状记忆合金在温度变化的过程中会出现两种形态，即马氏体态和奥氏体态。

在马氏体态结构内部发生变化过程中，高温态称为奥氏体态，低温态称为马氏体态，从奥氏体态向马氏体态的顺向变化过程称为马氏体相变。

从马氏体态向奥氏体态的逆向变化过程称为马氏体逆相变。

有3种形式可诱发马氏体相变，即应力诱发马氏体相变、应变诱发马氏体相变和热诱发马氏体相变。

航天器姿态控制中的非线性控制方法研究航天器是人类探索宇宙的重要工具之一，而控制航天器姿态的方法则显得至关重要。

非线性控制方法是目前研究的热点，在航天器姿态控制中也有广泛应用。

本文旨在探究航天器姿态控制中的非线性方法。

一、航天器姿态控制的概述航天器姿态控制是指在航天器飞行中或在航天器进入操作状态前，控制航天器的姿态状态，以完成特定任务的过程。

航天器的姿态状态通常包括位置、姿态角和速度等因素。

在实际的航天任务中，姿态控制显得尤为重要，因为姿态的不稳定会导致航天器的失控和毁灭。

因此，对于航天任务而言，姿态控制至关重要。

二、非线性控制方法的介绍在航天器姿态控制中，传统的控制方法包括PID等线性控制方法。

然而，这些方法通常只能处理具有线性关系的问题，在处理非线性问题时会出现精度低下和稳定性不足的问题。

因此，非线性控制方法逐渐成为研究的热点。

常见的非线性控制方法包括自适应控制、模糊控制和神经网络控制等。

自适应控制是一种自适应于不确定环境和不确定模型的控制方法，它能够实现对系统的动态性能和鲁邦性的自适应调整。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它模拟人脑的判断过程，能够处理复杂的非线性系统控制问题。

神经网络控制是利用神经网络对系统进行建模和控制的方法，这种方法具有很强的学习和适应能力，能够对复杂的控制问题进行处理。

三、非线性方法在航天器姿态控制中的应用非线性控制方法在航天器姿态控制中的应用已经得到了广泛的研究。

例如，在航天器姿态控制中，自适应控制可以通过对姿态误差进行自适应调节，实现航天器在不同环境下的姿态控制。

模糊控制可以将实际姿态状态转化为模糊变量，在模糊控制器的帮助下实现航天器的姿态控制。

神经网络控制可以通过对神经网络进行建模和训练，实现针对航天器姿态的精确控制。

此外，非线性控制方法也能够应用于航天器的柔性多体动力学控制。

柔性多体控制是指对航天器的柔性部件进行动力学控制，以减少它们对姿态控制的影响。

针对柔性多体控制，非线性控制方法能够实现精确的控制，提高航天器的姿态控制精度。

飞行器控制系统设计方法学科综述1.飞行控制系统对总体设计的影响传统飞机设计方法中，在总体布局设计时，根据任务需求主要考虑飞行器的气动、结构与动力系统的设计因素，通过三者之间的协调使飞行器满足任务目标的要求。

飞行控制系统是在飞机总体设计基本完成后进行设计的，只能对飞行器的性能起到被动补偿作用，对总体布局的设计没有直接影响。

随着现代飞行器的发展，飞机任务需求越来越高，仅靠气动、结构与动力三个系统之间的协调已经很难满足任务需求，越来越多的飞机在总体设计的初步阶段就将控制系统与控制律的设计和传统的气动、结构与动力系统的设计相结合起来，使之成为总体布局设计中的第四大因素，在传统的三大系统发生矛盾时起到积极的协调作用。

例如通过放宽静稳定度设计，可以在提高升阻比的同时不增加额外的结构重量，甚至减小结构重量而不影响结构强度要求。

由此可见，在进行总体设计阶段考虑飞行控制系统设计可以对飞机总体布局产生很大的积极影响。

现代飞机总体设计过程中飞行器控制系统设计将会起到越来越重要的作用。

飞行系统的核心是飞行控制率的设计。

为了使控制系统满足设计要求，除了应根据飞机的本题动态特性和任务特点选择合适的控制律结构外，还应选择合适的设计方法，为控制律选取参数。

如何将控制理论应用到飞行控制上，一直是航空界研究的重点。

通过多年的分析和设计验证，目前适用于飞行控制的设计方法主要分为经典控制方法和现代控制方法两大类。

1)经典控制方法经典控制理论的设计方法以频域方法和根轨迹法为代表，已在飞行控制系统设计中使用多年。

飞行控制系统设计者对这种方法较为熟悉且富有经验，现行的品质规范及性能评价准则也基本是按照经典控制理论给出的。

针对飞机本身的特征，采用线性化处理以及调参等方法，能较好地解决飞机的非线性和参数变化等问题。

在初步设计后，通过地面与空中模拟实验调整，也能得到性能良好的飞行控制系统。

但经典设计方法存在固有的缺陷，主要有：难以处理多输入多输出的飞行控制系统；现代飞机所要求的高机动性、敏捷性，飞机的非线性难以按常规的方法进行线性化处理；飞行系统变得越来越复杂，使用较为依赖设计经验积累的经典设计方法会越来越困难等。

COVER STORY封面文章F -16战机的布局设计适合高机动高速飞行，而全球鹰无人机适合长航时侦察飞行。

另一方面民用和军事领域还提出了对具有特殊性能的飞行器的需求，包括高超声速空天飞行器、低速临近空间飞行器和微型飞行器等。

高超声速空天飞行器的飞行状态跨越低速和高超声速，需要既保证高速性能，又兼顾低速性能。

微型飞行器尺寸小、重量轻、隐蔽性好、成本低，具有广泛的军事用途。

但是随着飞行器尺寸的减小，使用常规布局的微型飞行器会存在因尺寸限制而引起升力不足的问题，以及因低雷诺数引起推进系统效率大大降低的问题。

临近空间飞行器在遥感和监测方面比卫星观测更清楚，在通信方面变体飞行器是一种能够改变外形，以适应不同的飞行环境、改善空当前，民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求，要求新一代飞行器能够在变化很大的飞行环境（高度、马赫数等）下和在执行多种任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）时始终保持良好性能。

固定外形的飞行器难以满足这个要求。

南京航空航天大学 陆宇平 何 真 吕 毅变体飞行器技术陆宇平南京航空航天大学教授、博士生导师，航天学院院长。

国家高新技术研究发展计划（“863”计划）专家；中国航空学会自动控制专业委员会副主任；中国宇航学会空间控制专委会委员。

1996年获中国航空工业总公司“优秀留学回国人员”荣誉称号。

长期从事飞行控制系统与导航技术研究，研究领域包括：先进飞行控制技术，高超声速飞行控制，复杂系统建模和控制，远程控制等。

气动力学特性的飞行器。

鸟类是变体飞行器在自然界的最好例证。

鸟类具有改变翼面形状的能力，在低速飞行时伸展翼面，而在高速飞行时缩拢翼面。

鸟类还能改变其翼型，增大翼型弧度能增加最大升力系数，减小失速速度，使其可以低速安全降落。

鸟类在降落时还能够增加翼面的上反角，在下降过程中调整可以增加滚转的稳定性。

当前，民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求，要求新一代飞行器能够在变化很大的飞行环境（高度、马赫数等）下和在执行多种任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）时始终保持良好性能。

毕业论文论文题目：仿生类蜻蜓飞行器研究专业：机械制造及自动化姓名：指导教师：年月日目录一、绪论 (4)1. 微型飞行器的研究概况 (4)1.1. 微型飞行器的由来 (4)1.2.微型飞行器的基本特征和应用前景 (5)1.3. 微型飞行器技术研究现状 (6)2. 微型飞行器中的关键技术 (8)2.1、机体结构与机载设备的微型化 (8)2.2、新型高升阻比升力机制 (8)2.3、微型高效动力推进装置 (9)2.4、微功率下的飞行控制和数据通信系统 (9)二、仿生蜻蜓飞行器的设计 (10)1 蜻蜒拍动机构模型简化及运动函数 (10)2.扑翼结构的选择 (12)3.仿生蜻蜓飞行器的建模 (12)三、仿生蜻蜓的设计计算 (14)1.结构的选用与电机的选用 (14)1.1、节能特性： (14)1.2、控制特性： (14)1.3、拖动特性： (15)2.气动计算 (15)3.腿部机构与运动仿真 (19)3.1.机构与运动仿真 (19)3.2.步态设计 (20)3.3.行走重心计算 (21)4.仿真运动及有限元分析 (22)4.1.仿生蜻蜓飞行意义概述 (22)4.2.有限元分析的原理 (24)4.3. 仿生蜻蜓扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 (25)4.4.单元特性的定义 (27)4.5. 有限元网格划分 (28)4.6. 翅膀结构线性静力学分析 (29)4.7.仿生蜻蜓飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 (32)4.8.材料的选择 (34)四、结论 (36)五、参考文献 (38)仿生蜻蜓飞行器研究一、绪论自1903年莱特兄弟成功地进行了人类历史上的首次动力载人飞行以来，航空器的大型化和高速化一直是航空领域的一个发展趋势。

从DC-3到Boeing 747,到Concorde (协和号)，用尽可能短的时间来运送尽可能多的货物，始终是航空工程师们努力追求的目标之一。

但是，进入二十世纪九十年代，随着微电子和MEMS等技术的飞速发展，飞行器的设计又开始出现一种向小型化，微型化发展的新趋势。