涵道共轴双旋翼无人机飞控算法关键技术研究
发布时间：2023-06-10 11:45
旋翼无人机在智能化军事、农业机械化、环境监测、地质勘探和物流等领域具有巨大的应用平台潜力。同固定翼无人机相比,旋翼无人机的垂直起降、悬停低速飞行的能力使其在执行定点、精准和详查任务时独具优势。其中,涵道式共轴双旋翼无人机的独特布局形式与普通旋翼无人机相比,具有以下优点:结构更加紧凑,安全性更强,气动噪声更低,相同的功率与旋翼直径下,更大的拉力等等。因此,开展涵道共轴双旋翼无人机建模、飞控系统设计及控制算法研究是十分迫切与必要的。由于涵道共轴双旋翼无人机独特的气动外形特点,其建模和控制方法都面临着诸多挑战。本文针对涵道共轴双旋翼无人机动力学建模复杂,模型存在强非线性、耦合性和不确定性以及机体容易受到外界环境干扰等问题设计了控制器。本文研究的主要内容包括以下几个方面:(1)介绍了涵道共轴双旋翼无人机的总体构形与设计参数,综合国内外相关文献,采用模块化思想进行了系统化的样机建模,分别分析计算无人机子系统;结合滑流理论、叶素理论及动量理论对涵道及旋翼升力系统进行动力学分析;采用面元法分析了控制舵面的偏转角度与控制力矩之间的关系;运用刚体动力学相关知识对无人机整机进行建模,得到飞行器的非线性动力...
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 国内外发展历史及现状分析
1.2.1 涵道共轴双旋翼无人机的国外现状
1.2.2 涵道共轴双旋翼无人机的国内现状
1.2.3 涵道共轴双旋翼无人机建模方法的研究现状
1.2.4 涵道共轴双旋翼无人机的控制技术研究现状
1.3 主要研究内容及章节安排
第2章 涵道共轴双旋翼无人机动力学分析
2.1 引言
2.2 涵道共轴双旋翼无人机布局与设计
2.3 坐标系定义及相互转换
2.3.1 坐标系定义
2.3.2 坐标系转换
2.4 涵道共轴双旋翼无人机机体运动方程
2.5 涵道共轴双旋翼无人机各部件动力学分析
2.5.1 重力
2.5.2 机身受力分析
2.5.3 旋翼空气动力学分析
2.5.4 涵道升力动力学分析
2.5.5 舵面的空气动力学分析
2.5.6 陀螺力矩
2.6 非线性模型建立及其线性化
2.6.1 无人机非线性模型
2.6.2 小扰动线性化
2.7 相关辨识实验
2.7.1 舵机模型辨识实验
2.7.2 涵道旋翼升力系统辨识实验
2.8 本章小结
第3章 基于极点配置的不确定性涵道共轴双旋翼无人机鲁棒控制
3.1 引言
3.2 理论基础
3.2.1 涵道共轴双旋翼无人机不确定性分析
3.2.2 区域极点配置
3.2.3 线性矩阵不等式理论
3.3 基于极点配置的不确定性无人机悬停鲁棒控制
3.3.1 问题描述
3.3.2 悬停状态的状态反馈H∞-控制器设计
3.3.3 无人机姿态控制数值仿真研究
3.4 本章小结
第4章 基于状态观测器的鲁棒容错控制研究
4.1 引言
4.2 问题描述
4.3 有限频域内的基于状态观测器的多目标H./H∞鲁棒容错控制
4.3.1 控制性能实现条件
4.3.2 有限频域传感器故障检测敏感性条件
4.3.3 闭环系统稳定性条件
4.3.4 基于状态观测器的多目标H./H∞控制器与观测器求解
4.4 数值仿真研究
4.5 本章小结
第5章 基于动态观测器的鲁棒控制研究
5.1 引言
5.2 基于动态观测器的鲁棒控制
5.2.1 问题描述
5.2.2 动态观测器与控制器的参数化过程
5.2.3 基于动态观测器的H∞控制器设计
5.3 数值仿真研究
5.4 本章小结
第6章 半物理仿真实验
6.1 引言
6.2 半物理仿真实验系统
6.2.1 半物理仿真实验系统概述
6.2.2 半物理仿真实验系统方案
6.3 实验结果与分析
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3832825
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 国内外发展历史及现状分析
1.2.1 涵道共轴双旋翼无人机的国外现状
1.2.2 涵道共轴双旋翼无人机的国内现状
1.2.3 涵道共轴双旋翼无人机建模方法的研究现状
1.2.4 涵道共轴双旋翼无人机的控制技术研究现状
1.3 主要研究内容及章节安排
第2章 涵道共轴双旋翼无人机动力学分析
2.1 引言
2.2 涵道共轴双旋翼无人机布局与设计
2.3 坐标系定义及相互转换
2.3.1 坐标系定义
2.3.2 坐标系转换
2.4 涵道共轴双旋翼无人机机体运动方程
2.5 涵道共轴双旋翼无人机各部件动力学分析
2.5.1 重力
2.5.2 机身受力分析
2.5.3 旋翼空气动力学分析
2.5.4 涵道升力动力学分析
2.5.5 舵面的空气动力学分析
2.5.6 陀螺力矩
2.6 非线性模型建立及其线性化
2.6.1 无人机非线性模型
2.6.2 小扰动线性化
2.7 相关辨识实验
2.7.1 舵机模型辨识实验
2.7.2 涵道旋翼升力系统辨识实验
2.8 本章小结
第3章 基于极点配置的不确定性涵道共轴双旋翼无人机鲁棒控制
3.1 引言
3.2 理论基础
3.2.1 涵道共轴双旋翼无人机不确定性分析
3.2.2 区域极点配置
3.2.3 线性矩阵不等式理论
3.3 基于极点配置的不确定性无人机悬停鲁棒控制
3.3.1 问题描述
3.3.2 悬停状态的状态反馈H∞-控制器设计
3.3.3 无人机姿态控制数值仿真研究
3.4 本章小结
第4章 基于状态观测器的鲁棒容错控制研究
4.1 引言
4.2 问题描述
4.3 有限频域内的基于状态观测器的多目标H./H∞鲁棒容错控制
4.3.1 控制性能实现条件
4.3.2 有限频域传感器故障检测敏感性条件
4.3.3 闭环系统稳定性条件
4.3.4 基于状态观测器的多目标H./H∞控制器与观测器求解
4.4 数值仿真研究
4.5 本章小结
第5章 基于动态观测器的鲁棒控制研究
5.1 引言
5.2 基于动态观测器的鲁棒控制
5.2.1 问题描述
5.2.2 动态观测器与控制器的参数化过程
5.2.3 基于动态观测器的H∞控制器设计
5.3 数值仿真研究
5.4 本章小结
第6章 半物理仿真实验
6.1 引言
6.2 半物理仿真实验系统
6.2.1 半物理仿真实验系统概述
6.2.2 半物理仿真实验系统方案
6.3 实验结果与分析
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3832825
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