● 摘要
长期以来，人们对飞机在空中的飞行控制性能非常重视并开展了广泛的研究，近年来，飞机在地面的操纵控制性能的重要性也逐渐被人类所意识到。现代飞机有1/6的时间都会机场滑跑，如何提高飞机在地面运动的控制性能，如何提高飞机地面控制效率和安全性，如何提高自动化操纵水平以减轻飞行员的操控负担是目前受到关注的一个研究方向。飞机在地面的运动行为是复杂的动力学过程，影响到飞机着陆、刹车、起飞、滑跑等多个阶段，涉及到刹车系统、前轮操纵系统、起落架系统等多个机载机电系统。因此，设计高效率、高可靠性、高安全性的自动或自主控制律是提升飞机地面操控性能的一大挑战。本文以飞机在地面的运动纵向和侧向运动行为作为研究对象，在深入分析飞机地面动力学过程以及刹车系统、前轮操纵系统工作机理的基础上，综合应用非线性控制技术以及虚拟现实技术，进行了以下五个方面的研究。 （1）对飞机地面运动行为进行了动力学进行建模，分析了飞机在地面运动过程中受到的气动力和气动力矩、轮胎-地面侧向和纵向摩擦力以及来自起落架系统的垂直负载，推导了飞机地面六自由度动力学方程，并着重讨论了轮胎与地面的纵向和侧向摩擦力模型，用于后续飞机在地面的纵向和侧向控制设计。（2）针对飞机防滑控制系统，我们提出两种飞机防滑刹车控制方法。一种是借助飞机地面动力学在线辨识飞机的纵向摩擦力，也就是刹车机轮所产生的纵向摩擦力，为刹车控制器提供前馈补偿信号，考虑未知气动力和气动力矩的影响，以及起落架纵向载荷对刹车力矩计算的影响。本文借助神经网络逼近未知气动力和气动力矩，可以在存在未知纵向和垂直负载情形下工作良好，为了避免抱死现象，刹车输入力矩约束也在本文中加以讨论。另外一种方法是借助跟踪微分器或者二阶滑模微分器构造出飞机减速率信号，避免了对纵向动力学过程进行学习辨识，同时对最佳滑移率进行寻优，使系统在存在不确定性情况下仍能跟踪最优滑移率曲线，本文证明了两种刹车控制方法的稳定性，并给了仿真结果以验证两种方法的先进性和有效性。（3）人们对改善机场交通和减少航空排放的需求推动了对飞机地面高效自动转向操纵的研究。针对围绕飞机跑道保持控制问题，综合考虑地面侧向摩擦力和气动力/气动力矩的影响，建立了Look-ahead模型，为飞行操纵辅助系统设计了跑道保持控制算法，给出仿真结果以证明该控制器能在飞机偏出跑道时能够以较小的操纵角使飞机调整回到设定的跑道路面上，减小超调。本文着眼于飞机在机场的路径跟随问题，即飞机通过前轮操纵完成跟随设定跑道的任务。本文方法基于动态自适应反步（Dynamical Adaptive Backstepping，DAB）控制方法，因此无需将系统变换成下三角型以适用于标准反步设计。本文控制器可以在缺乏气动力负载信息和轮胎转向刚度信息的情况下工作良好。（4）此外，我们还提出一种约束动态自适应反步（Constrained Dynamical Adaptive Backstepping，CDAB）设计方法。该方法通过结合动态自适应反步控制与指令滤波器设计思路，可以应用于可观最小相位不确定非线性系统而无三角型系统限制。通过基于反步过程的指令滤波器设计可以对在控制变量和系统状态上的物理或者运行约束进行处理。同时避免了耗时的虚拟控制变量求导计算。我们采用了经过补偿的跟踪信号用于参数更新律的设计避免在控制变量上的约束破坏了自适应设计的参数逼近能力。我们将这种方法应用到了飞机地面侧向控制中，仿真结果表明，该方法可以有效的处理侧向摩擦力的饱和约束非线性，保障了操纵控制的有效性和安全性。（5）最后，借助虚拟现实技术与半实物仿真技术，我们构建了飞机地面运动三维视景仿真试验平台，辅助分析飞机地面运动行为，真实再现飞机在地面运动的全过程。该平台可以和实际刹车-操纵控制单元对接，进行实时仿真，为设计和验证实际控制单元性能提供支持。