某型无人机三维空间航迹跟踪控制方法研究
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Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ＵＡＶ ｉｎ ３ Ｄ ｓｐａｃｅ． Ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｏｆ ｆ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｄ ｉｎｔｏ ｗａｙ－ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ． Ａ ｍ ａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍ ｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｆｒａｍ ｅ ｉｓ ａｌｉｎｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｆｒａｍｅ ＳＯ ｔｈａｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｌａｗ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｓｌｉｄｉｎｇ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｂａｃｋ－ｓｔｅｐｐｉｎｇ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｔｈｅ ｄｉｒｅｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖｅｃｔｏｒ ｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｗａｙ—ｐｏｉｎｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＵＡＶ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ＵＡＶ ｃｌｏｓｉｎｇ ｔｏ ａ ｗａｙ—ｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｉｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｈａｖｅ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂａｃｋ—ｓｔｅｐｐｉｎｇ；ｓｌｉｄｉｎｇ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＵＡＶ ；ｆｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ；Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｆｕｎｃｔｉｏｎ
Ｏ 引 言 无 人 机 在 军 用 和 民用 领 域 均 有 广 阔 的应 用 前
景 ，如何更好 地提 高无 人 机 的 自主 控制 能 力 已 经成 为 当前 国内外研究 的热 点 问题 。
目前 国 内外很 多学 者 已经 对无人 机 的控制 问题
பைடு நூலகம்
收 稿 日期 ：２０１５＿０４—１６ 基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 项 目（１１４７２１３６、ｌ１４０２１１７）；江 苏省 普 通 高 校 研 究 生 科 研创 新 计 划 项 目（ＫＹＬＸ１５４）４１９） 作 者 简 介 ：管 军 （１９８７一 ），男 ，博 士 研 究 生 。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕａｎｊｕｎ８７１０＠ １６３．ｃｏｎ；
摘 要 ：研 究某 型无人 机 三维 空间航迹 跟踪 问题 ，通过在 理想 航迹 上选取 一 系列 航迹 点，将航 迹 跟踪 问题 转换 为航迹 点跟 踪 问题 。建 立 了无人机 的动力 学模 型 ，将 无人 机 的速 度 坐标 系对 准航 迹 点所在 的理想 坐标 系 ，使 位 置跟踪 问题 转化 为姿 态跟踪 问题 。推 导 了无 人机 的制 导律 ，并 利用 滑模 变结 构控 制理论 和反 步控 制理论 分别设 计 了姿 态控制 器 和速 度 控制 器 ，姿 态控 制器 使 飞行器 的速 度 矢量方 向对准 航 迹点所 在 的方 向，然后利 用速度 控 制器 控 制速 度 的 大小 使 飞行 器 到达 预 定航 迹 点。对整 个制 导 、控 制 系统进行 了全 系统 仿真 ，仿真 结果 表 明 ：所 设 计 的控 制 器具 有 较 高 的跟 踪精 度 ，且具 有较 强 的抗 干扰 能力 。
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｐａｔｈ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｎ ＵＡＶ ｉｎ ３Ｄ Ｓｐａｃｅ
ＧＵＡＮ Ｊｕｎ ，ＹＩ Ｗｅｎ．ｉｎｎ ，ＣＨＡＮＧ Ｓｉ．ｊｉａｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｚｈｅｎ．ｄｏｎｇ ，ＬＹＵ Ｙｉ—ｐｉｎ
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １００９４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
第 ３７卷 第 １期 ２ ０ １ ６年 １月
兵 工 学 报
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭ ＥＮＴＡＲＩＩ
Ｖ０Ｉ．３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１６
某 型无 人 机 三维 空 问航 迹 跟 踪控 制 方 法研 究
管 军 ，易 文俊 ，常 思 江 ，梁振 东 ，吕一 品
（１．南 京 理 工 大 学 瞬 态 物 理 国 家 重 点 实验 室 ，江 苏 南 京 ２１００９４；２．南 京 理 工 大学 能 源 与 动 力 工 程学 院 ，江 苏 南 京 ２１００９４）
关键 词 ：控制 科 学与技 术 ；反步控 制 ；滑模 变结 构控 制 ；无人机 ；航 迹 点跟踪 ；Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数 中图分类 号 ：Ｖ２４９．１ 文献 标 志码 ：Ａ 文章编 号 ：１０００—１０９３（２０１６）Ｏ１￣００６４．０７
Ｄ Ｏ Ｉ：１０．３９６９／ ．ｉｓｓｎ．１０００．１０９３．２０１６．０１．０１０
Ｏ 引 言 无 人 机 在 军 用 和 民用 领 域 均 有 广 阔 的应 用 前
景 ，如何更好 地提 高无 人 机 的 自主 控制 能 力 已 经成 为 当前 国内外研究 的热 点 问题 。
目前 国 内外很 多学 者 已经 对无人 机 的控制 问题
பைடு நூலகம்
收 稿 日期 ：２０１５＿０４—１６ 基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 项 目（１１４７２１３６、ｌ１４０２１１７）；江 苏省 普 通 高 校 研 究 生 科 研创 新 计 划 项 目（ＫＹＬＸ１５４）４１９） 作 者 简 介 ：管 军 （１９８７一 ），男 ，博 士 研 究 生 。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕａｎｊｕｎ８７１０＠ １６３．ｃｏｎ；
摘 要 ：研 究某 型无人 机 三维 空间航迹 跟踪 问题 ，通过在 理想 航迹 上选取 一 系列 航迹 点，将航 迹 跟踪 问题 转换 为航迹 点跟 踪 问题 。建 立 了无人机 的动力 学模 型 ，将 无人 机 的速 度 坐标 系对 准航 迹 点所在 的理想 坐标 系 ，使 位 置跟踪 问题 转化 为姿 态跟踪 问题 。推 导 了无 人机 的制 导律 ，并 利用 滑模 变结 构控 制理论 和反 步控 制理论 分别设 计 了姿 态控制 器 和速 度 控制 器 ，姿 态控 制器 使 飞行器 的速 度 矢量方 向对准 航 迹点所 在 的方 向，然后利 用速度 控 制器 控 制速 度 的 大小 使 飞行 器 到达 预 定航 迹 点。对整 个制 导 、控 制 系统进行 了全 系统 仿真 ，仿真 结果 表 明 ：所 设 计 的控 制 器具 有 较 高 的跟 踪精 度 ，且具 有较 强 的抗 干扰 能力 。
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｐａｔｈ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｎ ＵＡＶ ｉｎ ３Ｄ Ｓｐａｃｅ
ＧＵＡＮ Ｊｕｎ ，ＹＩ Ｗｅｎ．ｉｎｎ ，ＣＨＡＮＧ Ｓｉ．ｊｉａｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｚｈｅｎ．ｄｏｎｇ ，ＬＹＵ Ｙｉ—ｐｉｎ
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １００９４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
第 ３７卷 第 １期 ２ ０ １ ６年 １月
兵 工 学 报
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭ ＥＮＴＡＲＩＩ
Ｖ０Ｉ．３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１６
某 型无 人 机 三维 空 问航 迹 跟 踪控 制 方 法研 究
管 军 ，易 文俊 ，常 思 江 ，梁振 东 ，吕一 品
（１．南 京 理 工 大 学 瞬 态 物 理 国 家 重 点 实验 室 ，江 苏 南 京 ２１００９４；２．南 京 理 工 大学 能 源 与 动 力 工 程学 院 ，江 苏 南 京 ２１００９４）
关键 词 ：控制 科 学与技 术 ；反步控 制 ；滑模 变结 构控 制 ；无人机 ；航 迹 点跟踪 ；Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数 中图分类 号 ：Ｖ２４９．１ 文献 标 志码 ：Ａ 文章编 号 ：１０００—１０９３（２０１６）Ｏ１￣００６４．０７
Ｄ Ｏ Ｉ：１０．３９６９／ ．ｉｓｓｎ．１０００．１０９３．２０１６．０１．０１０