本文是南京航空航天大学自动化学院刘晓栋在吴庆宪教授指导下完成的硕士学位论文，题为《大机动无人机安全飞行边界智能保护控制》，于2021年3月提交。该论文主要研究了大机动无人机（UAV）的姿态跟踪控制、安全机动边界解算及边界保护控制系统设计，旨在解决无人机在大机动飞行中的安全性问题。

研究背景与意义

无人机在现代战场中因其尺寸小、隐身性好、不受驾驶员生理条件限制及具有更大的性能包线等优势，得到了广泛应用。随着现代空战理念的发展，无人机作战必须具备大机动能力，即在超过失速迎角后仍能调整姿态，实现快速机头指向及小半径转弯。然而，大机动飞行是一个强非线性过程，飞行状态极易越界导致失控，因此如何保证无人机的飞行安全成为首要问题。本文围绕这一问题，基于大机动无人机的非线性数学模型，研究了无人机姿态跟踪控制、安全机动边界解算及边界保护控制系统。

研究内容与方法

论文首先建立了大机动无人机的非线性数学模型，并对模型的气动系数进行了仿真分析。接着，针对大机动无人机姿态跟踪控制问题，提出了鲁棒反演姿态控制器，通过构造Lyapunov函数保证了闭环系统的稳定性，并通过数值仿真验证了控制系统的有效性。随后，针对安全机动边界解算问题，提出了改进的可达平衡集方法，实现了无人机绕速度轴滚转角速率的动态机动边界解算。最后，设计了基于干扰观测器的自适应滑模姿态控制器，并结合改进的可达平衡集算法，提出了一种指令约束边界保护方案，解决了绕速度轴滚转角速率越界问题，实现了无人机在安全边界内的姿态跟踪。

主要成果

1. 非线性数学模型建立与特性分析：论文建立了大机动无人机的非线性数学模型，并对其气动系数进行了仿真分析，为后续研究提供了基础。
2. 鲁棒反演姿态控制器设计：针对输入饱和问题，设计了鲁棒反演姿态控制器，通过动态面控制技术避免了虚拟控制律的复杂求导，保证了系统的稳定性。
3. 改进可达平衡集方法：提出了改进的可达平衡集方法，实现了无人机绕速度轴滚转角速率的动态机动边界解算，为边界保护控制系统的设计提供了基础。
4. 自适应滑模边界保护控制系统：设计了基于干扰观测器的自适应滑模姿态控制器，并结合改进的可达平衡集算法，提出了一种指令约束边界保护方案，解决了绕速度轴滚转角速率越界问题。

研究意义与应用价值

本文的研究成果为大机动无人机的安全飞行提供了理论支持和技术保障，具有重要的理论意义和应用价值。通过改进的可达平衡集方法和自适应滑模控制器的设计，论文不仅提高了无人机在大机动飞行中的安全性，还为其在实际战场中的应用提供了技术基础。

研究亮点

1. 改进的可达平衡集方法：该方法在边界解算的快速性和准确性上具有显著优势，为大机动无人机的安全飞行提供了实时边界保护。
2. 自适应滑模控制器的设计：通过结合干扰观测器和径向基神经网络，论文设计的控制器能够有效应对系统不确定性和外部干扰，提高了系统的鲁棒性和控制精度。
3. 指令约束边界保护方案：该方案解决了绕速度轴滚转角速率越界问题，实现了无人机在安全边界内的姿态跟踪，为大机动无人机的安全飞行提供了新的解决方案。

总结与展望

本文的研究为大机动无人机的安全飞行提供了重要的理论和技术支持，未来可以进一步探索无人机在复杂环境下的自主飞行控制技术，提升其在实际战场中的应用能力。