卫星编队飞行的协同控制
飞行控制系统简介
自动飞行控制系统 飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性，提高飞机飞行性能和完成任务的能力，增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。 深圳市瑞伯达科技有限公司，致力于成为全球无人机飞行器领导品牌，是智能化无人机飞行器及控制系统的研制开发的专业厂商，生产并提供各行业无人机应用的解决方案。产品线涵盖各种尺寸多旋翼飞行器、专业航拍飞行器、无人机飞行控制系统、无人机地面站控制系统、高清远距离数字图像传输系统、专业级无线遥控器、高精飞行器控制模块及各类飞行器配件 飞行器的自动飞行一、问题的提出早在重于空气的飞行器问世时，就有了实现自动控制飞行的设想。1891年海诺姆．马克西姆设计和建造的飞行器上安装了用于改善飞行器纵向稳定性的飞行系统。该系统中用陀螺提供反馈信号，用伺服作动器偏转升降舵。这个设想在基本概念和手段上与现代飞行自动控制系统有惊人的相似，但由于飞机在试飞中失事而未能成为现实。 60年代飞机设计的新思想产生了，即在设计飞机的开始就考虑自动控制系统的作用。基于这种设计思想的飞机称为随控布局飞行器（Control Configured Vehicle 简称CCV）。这种飞机有更多的控制面，这些控制面协同偏转可完成一般飞机难以实现的飞行任务，达到较高的飞行性能。 飞控系统分类飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。飞控系统构成飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息，用于控制、导引和模态转换。飞控计算机是飞控系统的“大脑”，用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。作动器是飞控系统的执行机构，用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等，以产生控制飞机运动的力和力矩。自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测，以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。信息传输链用于系统各部件之间传输信息。常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接，不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。 自动飞行控制系统由自动驾驶仪、自动油门杆系统、自动导航系统、自动进场系统和自动着陆系统、自动地形跟随/回避系统构成。 RIBOLD瑞伯达科技有限公司,致力于成为全球飞行影像系统独家先驱，其产品线涵盖无人机飞行控制系统及地面站控制系统、影视航拍飞行平台、商用云台系统、高清远距离数字图像传输系统、无线遥控和成像终端及模型飞行器产品,多旋翼飞行器和高精控制模块。 RBD瑞伯达坚持创新, 以技术和产品为核心，通过完美的产品带来前所未有的飞行体验。我们的目标是做世界一流的无人机企业，为我们的客户提供一流的产品和服务!
航天编队飞行和空间虚拟探测技术
航天编队飞行和空间虚拟探测技术 香山科学会议第206次学术讨论会综述 以“建立高效、低成本、低风险分布式天基探测系统——航天编队飞行和空间虚拟探测技术”为主题的206次香山科学会议学术讨论会于2003年8月26～28日在北京举行。会议聘请宋健院士、中国科学院上海技术物理所龚惠兴院士和中国科学院空间科学与应用研究中心姜景山院士担任执行主席。会议的中心议题为航天编队飞行技术、空间虚拟探测技术、分布式合成孔径雷达、现代一体化设计小卫星等。 宋健院士首先做了“重视研究低成本小卫星和虚拟探测技术”的报告，指出21世纪航天技术的发展对于外空间的科学探测、认识宇宙，扩展生存空间、挑战传统物理学和天体物理学具有非常重要的意义。强调航天的作用不仅仅是认识我们地球，而是认识宇宙的不可缺少的手段。他提出了三点需要重视的问题：第一重视基础研究，要搞编队飞行或者是虚拟探测技术研究，都要重视基础研究；第二加强长远项目的研究，“编队飞行”是一个长远课题的研究，从近期入手，逐步到达更高的目的；第三航天技术应用研究，要向社会开放，特别是要向全国的研究机构和高等院校开放，动员社会力量逐步提高我们的航天技术，这样使航天技术的根基更深，深入民间。 一、航天编队飞行及空间虚拟探测技术研究现状及重要性 姜景山院士作了题为“航天编队飞行及空间虚拟探测技术——21世纪航天应用技术前沿”的总评述报告。他指出，编队飞行的目的在于以多颗小卫星编队飞行来实现大卫星才能具备的强大功能并且可以实现功能重组，它要求编队中的每一颗卫星的传感器所获得的信号要进行相干处理。从技术上说，实现编队飞行必须以具有高度自主能力的小卫星和特殊轨道设计为技术前提。编队飞行与虚拟探测紧密相连，相互促进、共同发展。 编队飞行及空间虚拟探测技术是本世纪航天技术及应用领域的前沿性、战略性课题。在21世纪人类的航天活动中，编队飞行及虚拟探测技术必将发挥出越来越重要的作用。对于国家安全来说，它是我们必须争取的21世纪航天领域的战略制高点。它的发展也将对空间科学、空间技术及应用产生深远的影响、对于空间对地观测以及对宇宙观测方面具有重大意义，同时可以极大地提高对地观测以及对宇宙观测的能力，还将极大地促进计算机、自动控制、精密定轨、星间信息交换、空间轨道设计和编队构形设计等航天技术的发展。我国作为一个重要航天国家，应不失时机地抓住机会，纵深布局，加快研究及试验，将有可能在这一领域与国际水平同步，为我国空间技术、国家建设及国家安全提供先进有效的战略科技途径。 迄今为止，这一技术在国际上的发展也不过十几年，而且普遍处在研究和试验阶段，美国的规划目标是到2020年在相关领域使这一技术具备实用性。我国对这一技术的研究始于上世纪末，也已有7～8年的时间。如果现在开始有计划地加强这一领域的研究，我国在这一领域与国际上的发展可以同步进行。到2020年时，在航天应用中将有可能广泛采用编队飞行技术，在提高我国航天竞争能力，提升国威方面将发挥重要作用。 二、航天编队飞行技术
ATA 22 自动飞行系统
ATA22 AFS自动飞行系统 自动飞行系统是现代化数字系统，它能在飞机的整个飞行过程中，从起飞到自动进近着陆和滑跑，为飞机提供制导。它是目前最先进的自动飞行系统。 一、AFS简介： 1、基本工作原理： 图22——1 自动飞行系统（AFS）用飞机传感器提供的所需信息进行飞机位置计算。另外，在它的存储器中有几个飞行计划，这些飞行计划由航空公司预制。每个飞行计划包括一个从离港到到达目的地的完整的飞行过程，包括垂直信息和中途的航路点。 知道了飞机位置和设置的飞行计划（由飞行员选择的），该系统能计算出指令信号送到飞行控制系统和发动机控制系统，以使飞机按飞行计划飞行。 2．基本组成： 图22——2
自动飞行系统（AFS）可分为四个主要部分： ——飞行管理（FM） ——飞行制导（FG） ——飞行增稳（FA） ——故障隔离和探测系统（FIDS） 前两部分功能由飞行管理与制导计算机系统（FMGCS）实现。 后两个功能由飞行增稳计算机系统（FACS）实现。 3．飞行管理与制导计算机系统（FMGCS） 图22——3 飞行管理（FM）部分主要提供飞行计划的计算。飞行计划包括纵向和横向制导功能。 飞行制导（FG）部分主要有以下三个功能： ——自动驾驶（AP） ——飞行指引（FD） ——自动油门（A/THR） FMGCs飞行管理与制导功能是由两个多功能控制显示组件（MCDU）和一个飞行控制组件（FCU）控制。 一般由MCDU提供机组与FMGCs之间的长期信息接口（如：飞行计划的选择和修改）；而FCU提供短期的信息交换接口（如：AP自驾，FD飞行指引和A/THR自动油门功能的衔接）。 除MCDU和FCU外，FM和FG的信息主要显示在EFIS电子飞行仪表系统的显示器上，即主飞行显示器（PFD）和导航显示器（ND）。 （1）自动驾驶（AP）/飞行指引（FD）
多无人机协同编队仿生飞行控制关键技术研究
随着单架无人机技术的发展日趋成熟，军事和民事领域对无人机的任务需求变得苛刻，人们开始关注生物界编队鸟群（如大雁、天鹅等）长途迁徙的现象，分析生物系统的进化特征与行为规律，利用多无人机协同编队飞行（Coordinated Formation Flight，简称CFF）与生物系统（个体或群体）的某些原理和行为相似性，将仿生学引入到CFF研究中，以期获得类似鸟群长途迁徙的功效，如降低飞行阻力、节省燃油、延长巡航距离等。由于多无人机CFF控制技术具有广阔的工程应用前景，因此这一项目已在世界范围内激发了科研人员越来越高的研究热情，但又因该项目需要涉及多学科和多技术领域，因此研究难度高。目前国外虽已取得了显著的研究成果，但离工程应用还有很大的差距，而国内研究才刚刚起步，还属于理论跟踪性研究，所以系统深入的研究多无人机CFF控制技术，逐步实现其工程应用已成燃眉之际。本文正是基于多无人机CFF控制技术的国内外发展背景，根据实验室的实际情况，从多无人机编队飞行的基本原理到功能的硬件实现，采取环环相扣的研究方法，完成了多无人机CFF控制技术的前期研究工作。全文研究的多无人机CFF控制关键技术主要包括四个方面：多无人机CFF的气动耦合模型、CFF中单架UAV的运动学和动力学模型、CFF控制器以及硬件在环的CFF测试平台构建技术。论文首先总结了前人在这一领域内已有的研究成果，并在此基础上对紧密编队飞行中非常重要的气动耦合问题进行了系统的研究，然后分析对比了几种常见的涡流模型，利用简化的飞机结构和一种近似平均有效风和风梯度的计算方式，针对“长机-僚机”的V型编队方式和非线性6 DOF的刚性飞机，确立了适合多无人机CFF动态特性研究的气动耦合模型，继而分析这种气动耦合对飞机各种参量所产生的影响作用，并相应完成了对已有的标准飞机气动力和力矩系数方程组的调整工作。其次，利用第一阶段的工作成果，论文给出了“长机-僚机”编队方式下多无人机CFF模型，通过惯性坐标轴系、速度坐标轴系与机体坐标轴系之间的转换关系，深入的分析了受翼尖涡流影响的CFF中单架无人机的运动特性，同时给出了其特有的运动学和动力学模型。论文的核心研究内容之一是如何设计出一种能够确保僚机实时跟随长机飞行航迹的飞行控制器。在本文前期工作的基础上，利用多无人机CFF中的单架无人机的非线性动力学模型，针对飞机特有的运动规律，即飞机的状态变量可按时间尺度的不同分成慢变量( )和快变量( )，对应的给出了双环控制器的设计方法：外环利用带积分消除跟随航迹稳态误差的变结构滑模控制器，内环则采用基于神经网络消除逆误差的动态逆控制器。整个设计过程紧紧围绕多无人机CFF系统建立的要求，由长机航迹信息已知的理想假设，到完全不用知晓情况下实施目标跟随，并保持特定的编队队形，层层深入地系统研究了飞行跟随控制律，最后利用Matlab7.1对其进行仿真验证。仿真结果表明该飞行控制器能够确保僚机在长机产生的涡流场中保持编队飞行的队形结构。本文另一个核心研究内容是硬件在环的多无人机CFF测试平台的研制。文中详细的阐述了多无人机CFF系统的设计要求和软硬件实现过程。整个系统主要由三个子系统组成：无人机飞行控制系统（Flight Control System，简称FCS）、基于Statemate构建的无人机虚拟样机（Virtual Prototype，简称VP）以及地面测试系统。硬件测试平台的设计中加入了FCS-VP思想，主要是基于低成本考虑，而FCS-VP虽然是一种数字化的软件模型，但其设计理念与系统设计自动化（System Design Automation，SDA）完全一致，可以对应的完成物理原型应该具备的所有功能，且具有研究过程用时短，飞行航迹监控实时性强等优势，并能随机的对飞机实施各种干扰，动态的显示编队飞行控制器的性能好坏。经过多次双机编队飞行的检测实验，结果表明基于多无人机CFF测试平台系统的双机编队飞行正常，达到设计要求，同时也进一步证明了本文所研究的编队飞行控制系统相关理论算法是正确和有效的。
飞行器自动控制导论_第六章
第六章 典型飞行自动控制系统的工作原理 概述 6.1.1典型飞行自动控制系统的组成 描述飞机运动的参数有三个姿态角（θ、ψ、φ）、两个气流角（α、β）、两个线位移（H 、Y ）及一个线速度（V ）。飞行控制的作用，就是应用负反馈控制原理对上述参数的部分或全部进行控制。有时也根据需要也可控制与速度V 和迎角α有关的马赫数M 及法向过载。实际上飞行自动控制就是按一定飞行控制律，输出三个舵偏角（e δ、r δ及a δ）及油门T δ对飞行器实现闭环控制。 典型飞行自动控制系统一般包括三个反馈回路：舵回路、稳定回路和控制（制导）回路。 舵回路通常是一个随动系统（或称为伺服系统），一般包括舵机、反馈部件和放大器，如图所示。舵回路中的舵机作为执行机构带动舵面偏转。 图 舵回路方框图 舵回路中有两个反馈回路：位置反馈回路，使控制信号与舵机输出信号成比例关系，速度反馈回路，增加舵回路阻尼，改善舵回路的动态性能。 如果敏感部件是测量飞机的姿态，测量敏感部件、放大计算装置与舵回路构成自动驾驶仪，自动驾驶仪和飞机构成了飞行器的稳定回路，主要起稳定和控制飞机的姿态的作用。典型的稳定回路如图所示。
图稳定回路 由稳定回路和飞机重心位置测量部件以及描述飞机空间几何关系的运动环节，组成更大的回路，称为控制（或称制导回路），如图6-3所示。主要起稳定和控制飞机的运动轨迹的作用。 图控制（或制导）回路 6.1.2 纵向控制 飞行器纵向扰动运动，一般由短周期模态运动和长周期模态运动组成。随着飞行器的速度越来越快，飞行高度越来越高，飞行包线范围扩大，欲使飞行器在整个包线范围内满足飞行品质要求，普遍采用反馈控制技术。例如高空飞行时，飞行器的阻尼特性常常变差，短周期模态特性趋于恶化，造成操纵反应过程中超调量过大，振荡加剧，严重影响飞行任务的完成，此时，可以在纵向通道引入适当的反馈可以改善飞行品质。又如当飞行器要完成保持姿态角或等速V飞行时，即使飞行器具有良好的短周期模态时，但由于长周期模态振荡频率较低，衰减较慢，甚至是慢发散的。要实现上述任务时，要求驾驶员经常操纵舵面加以控制，并且过程很长。为了减轻驾驶员负担，精确地完成上述任务，需要抑制沉浮运动，同样可以引入适当反馈信号达到目的。如要完成定高飞行，除了使飞行具有良好短周期模态和长周期模态外，还可以引入高度反馈，完全脱离驾驶员操纵实现保
电磁航天器编队飞行系统概述.
电磁航天器编队飞行系统 1、引言 随着各国航天技术的不断发展，航天任务日趋多样化、复杂化，对航天器提出了更高的要求。传统的大卫星研制周期长、耗资多、风险大，而小卫星具有体积小、重量轻、成本低、研制周期短、能利用多种发射方式快速灵活发射等特点，使得小卫星成为大卫星的必要补充。但单颗小卫星由于功能单一，在应用方面受到一定的限制，通常将多颗小卫星进行编队，以实现单一大卫星的功能或对单一大卫星功能进行扩展，完成单颗卫星不能完成的任务。 卫星编队飞行是指一群相距很近、分布在特定轨道构型上、物理上不相连的成员卫星协同工作，共同完成特定任务。通常编队卫星以某一点（主航天器）为基准，构成一个特定几何形状，各颗卫星之间通过星间通信相互联系、协同工作，共同承担空间信号的采集与处理以及承载有效载荷等任务，整个星群构成一个满足任务需要的、规模较大的虚拟传感器或探测器。相对于传统的大卫星，卫星编队飞行具有巨大的观测口径或测量基线，在电子侦察、立体成像、精确定位、气象测量等应用领域具有无法比拟的突出优势，同时多颗卫星组成的分布式传感器系统能够有更好的灵活性和冗余度，可以降低飞行风险和成本。自二十世纪九十年代后期开始，航天器的编队飞行技术越来越引起世界航天领域的极大兴趣和广泛关注。包括美国航空航天局（NASA）、喷气推进实验室（JPL）、美国空军实验室（AirForce）以及欧空局（ESA）在内的多家著名的航天技术研究单位都看好编队飞行技术的广阔前景。图1为美国NASA的轨道列车计划（A-Train），利用六颗卫星编队飞行监测地球环境变化。 图 1 NASA的轨道列车计划 卫星编队飞行过程中要受到地球扁率、大气阻力和太阳光压等各种摄动因素的影响，此外为满足空间观测任务的要求，需要编队系统具有构型重构的机动能力，这就使得卫星要借助地球引力之外的力在非开普勒轨道上进行飞行，传统上一般采用火箭发动机喷气产生的推力来控制编队系统中成员卫星的相对位置，但这种推进方式存在以下几个方面的缺点：（1）火箭发动机喷射产生的羽流会污染临近卫星的光学器件，对空间光学观测任务产生比较大的影响，另外由于推进过程中产生红外线，会影响卫星在轨飞行的隐身效果。 （2）由于喷气推进是一种需要工质的推进方式，在不考虑卫星损毁情况下其工作寿命严格受到卫星所携带推进剂的影响，会影响卫星在轨飞行的寿命；
僚机编队飞行控制律设计
1.1 僚机编队飞行控制律设计 僚机在编队队形保持阶段需要实时跟踪动态的坐标点，并没有预定的航线。对于固定翼飞机而言，传统的控制方法难以实现对动态目标点的实时跟踪。为此本文提出了一种新的固定翼编队横侧向跟踪算法，取名为最优转弯半径(OTR, Optimal Turning Radius)算法，且已经验证了在长僚机模式下的编队跟踪中相比于传统PID 控制律有更好的性能。该算法在跟踪期望点附近引入了超前跟踪点和滞后跟踪点的概念，并将跟踪距离分为远距、中距和近距三种情况。在转弯段，僚机横侧向指令中增加长机的转弯半径实时反馈。在长机保持直线飞行时，僚机横侧向指令主要由航迹误差生成，期望航迹根据远距、中距、近距不同情况分别计算。在长机转弯时，僚机横侧向指令会加入长机的转弯半径实时反馈，保证转弯过程中僚机也能迅速的跟踪到期望点，进而让编队快速收敛到期望的队形。 1.1.1 OTR 算法的原理推导 设僚机相对于长机的设定偏差为(,,)F L e x y z →，长机坐标为 (,,)L l h λ，其中 (,,)F L e x y z →属于本地通用横墨卡托格网 (UTM, Universal Transverse Mercator) 坐标系，其 y 轴与长机航向重合，(,,)L l h λ表示长机在GPS 坐标系下的经纬高坐标。根据僚机与长机的固定偏差F L e →和长机的位置L 可以计算出僚机的期望位置(,,)c F l h λ。其计算过程分为 三步： (1) 将(,,)L l h λ转化到UTM 坐标下得到(,,)u L x y z 。 (2) 在UTM 坐标系下将(,,)u L x y z 和(,,)F L e x y z →相加得到僚机的期望UTM 坐标 (,,)u c F x y z 。 (3) 将(,,)u c F x y z 转化到GPS 坐标系下得到(,,)c F l h λ。 编队跟踪保持过程中一个很大的难点便是转弯过程中的期望路径震荡，表现出来的现象便是滚转角的震荡和航向偏向相反方向。为此本文在实际期望跟踪点附近设计超前跟踪点和滞后跟踪点，并且引入长机的实时转弯半径作为反馈。超前跟踪点的设计可以有效的解决过点转弯导致的侧向通道震荡问题，滞后跟踪点的设计使僚机在远距依旧能保持跟踪能力。定义超前跟踪点为(,,)c l F l h λ→，滞后跟踪点为(,,)c tr F l h λ→。定义函数(),,g f x d 表示在 GPS 坐标系下以位置 f 为基准点，向x 方向前进距离d 得到的经纬高位置。设相对于期望点超前距离为c l L →，相对于期望点滞后距离为c tr L →，则： ()(,,)=g (,,),,c l c c l F l h F l h L L ψλλ→→ (3.30) ()(,,)=(,,),,c tr c c tr F l h g F l h L L ψλλ→→- (3.31) 式中L ψ为长机的航向角，超前点和滞后点在期望点附近沿着长机航向方向选取。 定义长机与僚机的实时距离为L F L ?，近距离用c L F L ?表示，远距离用f L F L ?表示。则僚机期望位置的计算公式为：
多无人机协同编队飞行控制的研究现状
第30卷 第4期航 空 学 报 V ol 30N o 4 2009年 4月A CT A AERO N AU T ICA ET AST RON A U T ICA SIN ICA A pr. 2009 收稿日期:2008 01 20;修订日期:2008 05 08基金项目:国家自然科学基金(60674100) 通讯作者:樊琼剑E mail:fan qiong jian@https://www.sodocs.net/doc/4e10046498.html, 文章编号:1000 6893(2009)04 0683 09多无人机协同编队飞行控制的研究现状 樊琼剑1,2,杨忠1,方挺1,沈春林1 (1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016)(2.空军航空大学航空控制工程系,吉林长春 310022) Research Status of C oordinated Formation Flight C ontrol for Multi UAVs Fan Qiong jian 1,2,Yang Zho ng 1,Fang T ing 1,Shen Chunlin 1 (1.Colleg e o f A uto matio n Engineer ing ,Nanjing U niver sity o f A eronautics and A st ronautics,N anjing 210016,China) (2.Depar tment o f A viation Co ntro l,Av iatio n U niv ersit y of A ir Fo rce,Chang chun 310022,China)摘 要:多无人机(U A V s)编队飞行的协同侦察、作战模式可以在一定程度上提高单机单次作战任务的成功概率,因而引起各国对多机编队飞行的研究热潮。针对这一情形,在介绍了多U AV 协同编队飞行(CF F)的定义和应用特点的基础上,结合近年来国内外多U A V 编队飞行的发展状况和一些主要的研究成果,着重分析和讨论了编队飞行控制中几个相关的关键技术问题,主要包括:队形设计、气动耦合、队形的动态调整、航迹规划、信息互换以及编队飞行控制策略等问题;最后对未来的发展趋势进行了展望。研究成果对正在研究的多机作战平台系统的协同作战技术具有一定的参考意义。 关键词:多无人机;协同编队飞行;飞行控制策略;测试;信息分析中图分类号:V249 1 文献标识码:A Abstract:Coo per ativ e reconnaissance,operation mo des of multi unmanned aerial v ehicles (U A V s)for matio n flight can enhance successful r ate o f t he single o per at ion for single aircraft to some ext ent,so multi U A Vs for matio n flight is cur rent ly one o f the mo st activ e research to pics in the domain of U A V r esear ch and develop ment.A cco rding to the cur rent sit uation,the concept and applicatio n o f coo rdinated fo rmatio n flig ht contr ol is intr oduced f irstly.T hen the fo reig n and domestic researches and t heir r esults in the aspect o f coo rdinated fo rmatio n flig ht (CFF)contro l of multi U A Vs are ov erv iewed,and at the same time sever al related key issues ar e discussed and analyzed respect ively,including for mat ion desig n,aer odynamic coupling ,for mation reconfig ur atio n,traject or y planning ,informat ion ex change and for mation flig ht co ntro l str ategy pr lblems.Finally ,r esear ch ar eas ar e pro po sed to address dev elo pment tendency and challeng es.T he r esear ch results also have some r efer ence value fo r coo per ativ e operatio ns o f the mult i platfo rm system. Key words:multi unmanned aer ial vehicles;coo rdinated for matio n flight;flight contro l strateg y;testing ;infor matio n annly sis 自从无人机(Unmanned Aerial V ehicle, U AV)在1991年的海湾战争中得到成功运用以来,已有三十多个国家投入大量的人力和财力从事U AV 的研究和生产。经过几十年的发展,U AV 技术已相对成熟,并在各个领域中发挥了其独特的作用。尽管如此,单架的UAV 执行任务时仍存在相应的问题,如执行侦察任务时,单架U AV 可能会受到传感器的角度限制,不能从多个不同方位对目标区域进行观测,当面临大范围搜索任务时,不能有效地覆盖整个侦察区域;而如果是执行攻击任务,同样,单架U AV 在作战范 围、杀伤半径、摧毁能力以及攻击精度等方面受到的限制,会影响整个作战任务的成功率;另外,一旦单架UAV 中途出现故障,必须立即中断任务返回,但在战争中有可能贻误战机而破坏整个作战计划。 针对以上现状,多年来人们通过分析生物群体的社会性现象,如模仿群鸟迁徙过程中,其队形保持、节省能量以及协同对抗天敌等能力,来解决目前所关注的问题,其目的是为了尽可能地发挥单架UAV 的作用,实现多UAV 协同编队飞行(Coo rdinated Formation Flight,CFF)的控制、决策和管理,从而提高U AV 完成任务的效率,拓宽U AV 使用范围,达到安全、高可靠性地执行空中加油、空中监视、侦察和作战等多种任务的目的。
(整理)自动飞行控制系统电子讲稿第一部分
学习情景1 课程导论 1.飞行控制系统发展概述 自动飞行控制系统已有100多年的研制历史，早在有人驾驶飞机出现之前，自动飞行装置即已出现。 1.1方向稳定器 1873年，法国雷纳德（C.C.Renard）无人多翼滑翔机的方向稳定器。 1.2 电动陀螺稳定装置-姿态稳定 1914年，美国的爱莫尔·斯派雷（Eimer Sperry）研制成功第一台可以保持飞机稳定平飞的电动陀螺稳定装置，该装置利用陀螺的稳定性和进动性，建立一个测量基准，用来测量飞机的姿态，它和飞机的控制装置连在一起，一旦飞机偏离指定的状态，这个机构就通过飞机的控制装置操纵飞机的舵面偏转使飞机恢复到原来的状态。 1.3 自动驾驶仪 20世纪30年代出现了可以控制和保持飞机高度、速度和航迹的自动驾驶仪。 第二次世界大战促使自动驾驶仪等设备得到进一步发展，由过去气动-液压到全电动，由三个陀螺分别控制三个通道改用一个 或两个陀螺来操纵飞机，并可作机动、爬高及自动保持高度等。 二次大战期间，美国和原苏联相继研制出功能较完善的电气式自动驾驶仪C-1和其仿制品A∏-5； 德国在二战后期研制成功飞航式导弹V-1和弹道式导弹V-2，
更进一步促进了飞行自动控制装置的研制和发展。 20世纪50年代后，和导航系统、仪表着陆系统相联，自动驾驶装置实现了长距离自动飞行和自动着陆。 1.4 自动飞行控制系统 1947年成功突破音障后，飞机的飞行包线（飞行速度和高度的变化范围）扩大，越来越复杂的飞行任务对飞机性能的要求也越来越高，仅靠气动布局和发动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行任务的要求。因此，借助于自动控制技术来改善飞机稳定性的飞行自动控制装置（如增稳系统）相继问世，在此基础上，自动驾驶仪的功能得到进一步的扩展，发展成为自动飞行控制系统（AFCS）。 20世纪60年代，产生了随控布局飞行器（congtrol configured vehicle--CCV）的设计思想。 20世纪60年代前的以模拟电路或模拟计算机为主要计算装置的飞行控制系统，逐渐发展成为现在已普遍应用的数字式飞行控制系统，这也为新技术应用和更复杂更完善系统的综合提供了实现的可能性。例如： 主动控制技术（active control technology—ACT）； 余度技术 容错控制技术 20世纪80年代得到迅速发展的火/推/飞综合控制系统等。 20世纪70年代中期，由于计算机的应用使自动驾驶仪和飞机的指引系统组成一个综合系统，使飞机的各种传感器数据、指
卫星编队构形重构方案
兵工自动化 2013-07 Ordnance Industry Automation 32(7) ·64·doi: 10.7690/bgzdh.2013.07.018 卫星编队构形重构方案 党常平1，蔡远文2，史建伟1，解维奇1，邢晓辰1 (1. 装备学院研究生管理大队，北京 101416；2. 装备学院航天装备系，北京 101416) 摘要：为了满足未来航天任务对卫星编队构形重构的需求，设计一种卫星编队构形重构总体策略。分析卫星编队的重构需求，从重构构形、重构控制、重构规划、碰撞避免和优化设计5个关键技术进行汇总，分别制定了总体方案，并给出地面指控中心或卫星编队中的参考星的操作步骤。该策略对空间任务中重构技术的具体应用具有一定的参考价值。 关键词：卫星编队；构形重构；总体方案 中图分类号：TJ86 文献标志码：A Reconfiguration Scheme of Satellite Formation Dang Changping 1, Cai Yuanwen 2, Shi Jianwei 1, Xie Weiqi 1, Xing Xiaochen 1 (1. Administrant Brigade of Postgraduate , The Academy of Equipment , Beijing 101416, China ; 2. Department of Spaceflight Equipment , The Academy of Equipment , Beijing 101416, China ) Abstract: In order to meet the requirements of future space missions on satellite formation reconfiguration, design an overall scheme of satellite formation reconfiguration. Analyze the demand of satellite formation reconfiguration, summarized 5 key skill, including reconfiguration, reconfiguration control, reconfiguration planning, collision avoidance and optimal design, to establish the overall scheme separately. Put forwards an operational process for ground control center or reference satellite of satellite formation. The proposed scheme can provide a basis for application of reconfiguration in space missions. Key words: satellite formation; reconfiguration; overall scheme 0 引言 卫星编队技术，即由2颗或多颗卫星组成某种特定形状，各颗卫星分别在有微小差别(周期相等，倾角、偏心率、升交点赤经及过升交点时刻等轨道根数略有不同)的轨道上运行，一方面保持这个形状，同时又绕地球中心旋转[1]。 根据空间任务目标的不同需求，对卫星编队施加控制，可以使编队构形重构为满足要求的新构形。构形重构充分体现了卫星编队适应性强、功能丰富的特点。国内外对卫星编队构形重构的研究大都集中在重构的具体技术上，如构形、控制、碰撞避免和优化设计等。构形重构是一个复杂的整体过程，需要制定涵盖相关技术的总体策略，才能充分整合利用现有先进技术，满足未来航天任务对卫星编队构形重构的需求；因此，笔者设计了一种卫星编队构形重构总体策略。 1 卫星编队构形重构技术概念 卫星编队构形重构，即根据实际需要而对卫星编队的一颗或多颗成员卫星进行轨道调整，改变编 队中卫星之间的相对位置，使整个编队构成另外一种构形。 2 卫星编队构形重构需求分析 编队中的各颗卫星通过星间链路进行通信联系、协同工作，共同完成信号的采集、处理，以及功率合成等任务。在编队设计时，既可以使每颗卫星具有同样的功能，又可以使每颗卫星分别承担导航、通信、任务载荷、后勤、备份等不同功能。2种设计都充分发挥了编队的固有优势，达到了“相加大于总和”的整体效能。总结目前研究现状，卫星编队构形重构的典型空间应用主要有以下几类： 1) 调整合成孔径雷达分辨率。 卫星编队的星间距离为百米至千米数量级，通过紧密的信息互联，可以实现大范围覆盖、短重访周期的对地观测，整体对地观测功能可超过大型对地观测卫星，而成本又远低于后者。如参考射电干涉仪原理开发的干涉合成孔径雷达技术就是一种新的主动微波成像技术，在需要调整合成孔径系统分辨率时，可以通过构形重构改变编队构形尺寸实现。 2) 提高任务可靠性。 收稿日期：2013-01-24；修回日期：2013-05-07 作者简介：党常平(1988—)，男，陕西人，硕士，从事自动化测试与控制、卫星编队技术研究。
无人机室内编队飞行计算机视觉定位
无人机室内编队飞行计算机视觉定位 方案设计
目录 1：项目需求 (3) 2：系统整体设计 (3) 3：标识设计 (6) 4：目标定位跟踪 (7) 5：研究基础和团队 (7)
1：项目需求 本项目是针对室内多机编队飞行而生。 飞行环境 1、飞行空间：长8米，宽4米，高2.8米 2、飞机尺寸：长10cm，宽10cm； 3、飞机数量：16架； 4、飞行高度1.5米 5、飞行间距40cm 视觉定位要求 1、平面定位精度5cm； 2、飞机头尾方位角1°； 3、输出速率大于30hz； 4、延迟小于100ms； 2：系统整体设计 室内导航与定位是无人机编队飞行的核心技术，一旦无人机像人一样室内活动自如，将开启一个比现有规模还大的室内市场，对于室外环境，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)诸如美国的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)、我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,
BDS)能够为用户提供较高精度的定位服务，基本满足了用户在室外场景中对基于位置服务的需求。然而，个人用户、服务机器人、扫地机器人等有大量的定位需求发生在室内场景。而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。因此，室内定位技术成为工业界与学术界研究的热点。在各行业应用需求的推动下，室内定位技术得到了快速的发展。目前，国内外研究已提出了射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)、蓝牙、WLAN(Wireless Local Area Networks)、超宽带(Ultra-Wideband, UWB)，光流技术和运动捕捉等室内定位技术及系统，其中部分定位技术已经商用。但是，由于室内场景的复杂性和多样性，不同的室内定位技术也具有不同的缺点和局限性，尚未形成与GPS类似的普适解决方案。 射频，WLAN和UWB技术由于射频的不确定性，适应于范围大，精度要求较低的场合，光流法定位精度高，适合于无人机在室内的空中精确悬浮和定位。运动捕捉技术是目前最成功的无人机室内编队飞行动态定位技术，代表有英国Oxford Metrics Limited公司，英国Oxford Metrics Limited公司是世界上一家非常著名的光学动作捕捉（Motion Capture）系统供应商，它的这项技术在70 年代服务于英国海军，从事遥感、测控技术设备的研究与生产。进入80年代他们将自己在军事领域里的高新技术，逐渐用于民用方面，在医疗、运动、工程、生物等诸多领域生产制造用于动作捕捉的Motion Capture系统。80年代末，OML又将动作捕捉系统技术应用
自动编队飞行控制
自动编队飞行控制 M. Pachter, J. J. D' Azzo, and J. L. Dargan Air Force Institute of Technology, Wright-Patterson AFB, Ohio 45433 一、引言 本文将讨论编队飞行控制问题，研究自动控制双机飞行，从而使其在改变航向和变速操纵过程中保持初始队形。现在看一个典型的长机/僚机“菱形”编队。（如图1） 图1-固定翼飞机旋转参考坐标系 从操作角度，并根据目前人工操纵飞机编队飞行的实际情况来看，在自动编队飞行控制中定义领航/跟随的概念是有利的。这里设想从机，即僚机，装配有‘编队保持’的自动驾驶仪，从而能用‘编队保持’自动驾驶仪来控制僚机（W）。 模拟该机为一阶动态系统，假定相对于W的长机（L）的位置可由W得出，并研发了自动编队维护的僚机控制系统。以上提及的自动编队控制系统（FFCS）被称作编队保持自动驾驶仪，由此W能够在面对L的机动飞行中保持自己相对于长机（基站保持）的位置。此外，L可以在编队参数中，例如，L-W横向纵向分离（ x，r y）上命令增量（r x?，r y?）.这样促使编队保持自动驾驶仪控制W执r
行动作，从而影响被控增量。因此，从字面上看，L领导或者驱动了整个编队。 考虑由反馈得到的测量结果，W的编队位置x，y的扰动能够由W上配备的编队保持自动驾驶仪得出显得至关重要。航向误差和速度误差的附加信息，即长机-僚机航向和速度差距测量结果的可用性显著提高了编队保持自动驾驶仪的性能。 早期美国空军编队飞行控制系统的可行性研究进行与1965年，它论断FFCS 能够缓解飞行员在编队飞行中的繁重压力，对编队飞行性能有极大提高。近日，Rohs已经着手FFCS的初步研究，他考虑了相似与不同飞机的菱形和雷尔编队。该工作基于Dargan等人的理论研究。在本文中，采用附着W瞬时位置的旋转参考坐标系。编队控制问题的模型是非线性动态系统，在第二三部分研究。该动态模型在初始稳定状态下线性化。一种耦合原则正在FFCS重开始使用，它能极大方便线性比例积分控制器的生成。FFCS的关键性耦合将在第四部分讨论，随之在第五部分分析x和y通道控制系统。基于分解的控制设计概念非常符合Porter和Bradshaw的模式（分解）观点的。最后，应用线性设备模型设计一个线性比例积分僚机控制器，即编队保持自动驾驶仪。第五部分的图2将阐述编队保持控制概念。编队保持自动驾驶仪的性能由长机控制的机动飞行仿真（如长机航向速度变化）来估计。此外，可以指示编队参数的变化及编队变化。第六部分给出了这些仿真结果，第七部分总结注释。 二、编队飞行控制建模 A.主要假设 在分析编队飞行控制问题时，默认假定编队中的每一架飞机自动驾驶仪是标准闭环系统。因此，飞机飞行是靠控制自动驾驶仪参考信号保持其各自的马赫数和路线。 B.飞行动力学 假定以下为两个分离的自动驾驶仪：（1）航向保持自动驾驶仪，在不影响飞 ψ；（2）马赫数保持自机空速时，它允许在航向ψ上存在微小的航向偏动指令c ?。动驾驶仪，再不影响飞机高度时，它允许在速度V上存在微小的速度偏移量c V 这些分离假定隐含前提为第一架自动驾驶仪油门，操纵杆，副翼和方向舵控制协调，第二架自动驾驶仪操纵杆和油门控制协调。其次，航向动力学方程及随之而
飞行器自动控制导论_第一章飞行控制系统概述
第一章飞行控制系统概述 1.1飞行器自动控制 1.1.1飞行控制系统的功能 随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。 飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。 飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。采用自动飞行具有以下优点： 1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担； 2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制； 3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。 一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。