平流层飞艇跟踪控制与飞控软件研究

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雅宝题库解析：
    由于在通信、监控、交通管理等领域具有广阔的军事和民用前景，近年来平流层飞艇吸引了世界各国研究者的广泛关注。本文以平流层飞艇为对象，着重对其轨迹跟踪控制、路径跟踪控制及飞控软件设计等方面进行研究，主要贡献包括：    1. 推广了轨迹线性化控制理论和基于制导的路径跟踪控制理论： a) 将轨迹线性化控制理论推广到内外环结构的奇异摄动系统中，证明当内环动态响应相对于外环足够快时闭环系统指数稳定； b) 将基于制导的路径跟踪控制理论推广到含姿态运动学的系统中，提出了能保证闭环系统跟踪误差全局一致渐近收敛的路径跟踪控制方法。    2. 基于所建立的平流层飞艇数学模型，分别提出了全驱动和欠驱动两种控制布局的平流层飞艇轨迹跟踪控制方法。两种方法均将整个系统划分为期望姿态计算部分和四个控制回路，每个控制回路分别用轨迹线性化控制理论进行设计，避免了直接对全系统求逆的困难，主要设计思路为： a) 全驱动轨迹跟踪控制由期望姿态计算、运动学控制和动力学控制组成，利用期望轨迹的Frenet标架构造期望艇体坐标系以导出期望姿态的计算公式，将系统运动学按照移动和转动分解，动力学按照纵向和横向分解，然后分别进行控制设计； b) 欠驱动轨迹跟踪控制由期望姿态计算、位置控制和姿态控制组成，位置和姿态控制又分别包括运动学控制和动力学控制，将无直接驱动的侧向运动转化为滚转角控制。     3. 研究了平流层飞艇的平面和空间路径跟踪控制题目： a) 利用输入输出反馈线性化方法设计了飞艇平面路径跟踪控制器，在移动速度和转动速度之间进行合理分配使得系统运行更符合物理实际，并将类似方法存在的多个控制奇异点减少为一个； b) 为进一步消除控制奇异点，综合利用基于制导的路径跟踪控制理论和反步法设计了能使闭环系统全局一致渐近稳定的飞艇平面路径跟踪控制器； c) 推广平面路径跟踪控制方法，综合基于制导的路径跟踪控制理论和轨迹线性化控制理论提出了平流层飞艇空间路径跟踪控制方法； d) 将上述方法扩展到存在未知风场影响情况，设计基于地速测量的恒值风场自适应路径跟踪控制； e) 利用低空无人飞艇对空间路径跟踪控制方法进行了自主飞行控制试验研究，验证了所提出方法的有效性和实用性。     4. 研究了平流层飞艇飞控软件设计题目： a) 基于平流层飞艇飞控系统特点，设计了冗余CAN总线通信协议； b) 提出了基于VxWorks实时嵌入式操作系统的无人机机载计算机应用软件框架，框架中详细定义了机载软件的任务划分、优先级分配以及任务间通信方式； c) 将该软件框架应用到平流层飞艇飞控软件设计中，详细设计了飞控软件各任务的功能和执行流程，通过任务可调度性分析证明各任务在操作系统调度下能正常运行，验证了所设计飞控软件的可行性。