小型折叠巡飞器鲁棒控制及末端最优制导方法研究

A miniature folding cruise aircraft is a miniature unmanned aerial vehicle (UAV) that can carry out reconnaissance and precise strike. Because of its lightness, small size, low flight velocity, evident low Reynolds number aerodynamic effect, strong nonlinearity and coupling characteristics and susceptibility to the interference of air turbulence and gust, the precise guidance and design of a strong robust control system are bottleneck problems for its wide application. The research project proposes the miniature folding cruise aircraft guidance and.control method based on pressure and shear sense so as to solve its guidance and control problems caused by the low Reynolds number effect and the gust. First, the pressure and shear sensor array is laid out to sense the flow field around the cruise aircraft in real time, and then its nonlinear mathematical model is obtained through reconstructing in real time the centroidal acceleration, angular velocity and other information measured with the inertial unit. Second, the robust controller based on pressure and shear sense is designed to adjust the control parameters in real time and according to the reconstructed mathematical model so as to achieve the strong robust adaptive control of the changes in the flow field around the cruise aircraft. Finally, the reconstructed mathematical model is used to obtain on line the usable overload of the cruise aircraft and to study the optimal guidance law under multiple constraints, thus enabling the cruise aircraft to guide precisely a quickly moving target in BTT mode.

小型折叠巡飞器是一种同时具备侦察和精确打击的小型无人机。由于其质量轻、尺寸小、飞行速度低，气动特性呈现明显的低雷诺数气动效应，具有强非线性和耦合特性，且极易受到大气湍流和阵风的干扰，使得精确制导和强鲁棒控制系统的设计成为制约其进一步广泛应用的难题。因此，本项目提出基于压力/剪应力感知的小型折叠巡飞器制导控制方法，以解决低雷诺数效应和阵风干扰带来的小型折叠巡飞器制导控制难题。首先，在小型折叠巡飞器机体布置微型压力/剪应力传感器阵列，实时感知巡飞器周围流场，再结合惯性组件测到的加速度、角速度等信息，通过重构实时获取巡飞器的精确气动模型；其次，设计基于压力/剪应力感知的鲁棒控制器，根据重构模型实时调整控制参数，以实现对巡飞器周围流场变化的强鲁棒自适应控制；最后，基于重构模型在线获得巡飞器的可用过载，研究多约束条件下的最优制导律，实现巡飞器能够在BTT模式下对快速移动目标的精确制导。

小型折叠巡飞器是单兵携带的从发射管发射、可巡飞至目标区域上空进行侦察和精确打击的小型无人机。具有质量轻、可实现单兵快速部署、可实施不对称打击和非接触作战的优势。然而，由于低雷诺数效应和阵风干扰等现象给小型折叠巡飞器的精确制导控制带来了难题，传统的制导控制方法难以达到理想的打击效果。本项目针对小型折叠巡飞器的精确建模、鲁棒控制和制导律三方面的问题展开研究，提出了基于压力感知的小型折叠巡飞器制导控制方法。1）在小型折叠巡飞器机体表面布置微型压力传感器阵列，利用这些传感器实时测量巡飞器周围流场，再结合惯性导航组件测到的位置、姿态等信息，实时修正巡飞器的气动模型，实现气动模型的在线重构，提高气动模型的精确度；2）设计基于压力感知的鲁棒控制器，根据在线重构的巡飞器精确气动模型实时调整控制参数，在确保巡飞器控制系统稳定性的前提下，提高控制系统的快速性，使巡飞器具备根据流场变化实现精确控制的能力；3）设计多约束条件下的最优制导律，根据在线重构的精确气动模型以及流场变化引起的气动扰动和可用过载的变化，实时修正制导指令，实现BTT飞行模式下的精确制导。本项目取得了小型折叠巡飞器的低雷诺数气动特性、利用微型气压传感器在线实时重构气动模型的方法、气压传感器的配置方法、基于流场感知的控制方法和落角约束BTT制导律等一系列结果。在解决科学问题的同时，又紧密结合中国工程物理研究院的要求，参与研制单兵携带巡飞弹武器系统，合作进行了数次飞行试验，取得了良好的效果，为进一步的定型生产铺平了道路。