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涵道式无人飞行器系统的建模与控制策略研究

作　者: 任小璐
导　师: 王常虹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无人飞行器空气动力学 PID控制鲁棒控制
分类号: V249.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

涵道式无人飞行器具有垂直起降、空中悬停、前后左右机动的能力,不需要复杂的发射装置和回收系统,因此,其优势得天独厚。它可以广泛用于炮兵射击训练、陆军的情报侦察与战场监视以及海军的中远程监视。根据打赢高技术局部战争的需要,对提高我军信息化作战能力,适应未来的作战环境,涵道式无人飞行器技术已列为战略性的长远发展计划。本文结合涵道式无人飞行器国内外的发展现状,就其动力学建模和控制问题进行了研究。首先结合叶素理论和动量理论,对飞行器的旋翼进行建模。利用刚体动力学的相关知识,建立了无人飞行器六自由度模型,并对其空气动力学部件进行了详细的分析,建立了无人飞行器的非线性模型。并利用小扰动原理对此非线性强耦合模型进行了线性化处理。首先运用传统PID控制,对无人飞行器进行控制,仿真结果表明,PID控制器可以对无人飞行器进行控制,但是PID控制是建立在线性化模型的基础上的,依赖于系统模型精确性。其对无人飞行器飞行过程中存在的各种不确定因素适应性不好,所以需要一种鲁棒性强的控制算法。本文采用H_∞控制算法,并对系统进行了仿真。仿真结果表明,鲁棒控制对无人飞行器的控制效果更为优秀,更能适应系统的参数不确定性,提高系统的鲁棒性。通过两种控制方法的比较,充分体现了鲁棒控制方法在该系统设计中的优势。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8
  1.2 无人机应用概述  8-9
  1.3 国内外发展现状与发展趋势  9-11
    1.3.1 国内外发展现状  9-10
    1.3.2 无人机的发展趋势  10-11
  1.4 无人飞行器飞控技术发展  11-12
  1.5 本文主要研究内容  12-14
第2章无人飞行器的动力学分析  14-26
  2.1 坐标系的建立  14
  2.2 机身重力对飞行器影响  14-15
  2.3 旋翼的空气动力学分析  15-21
    2.3.1 叶素理论  15-18
    2.3.2 动量理论  18-20
    2.3.3 旋翼动力学建模  20-21
  2.4 涵道的空气动力学分析  21-25
    2.4.1 采用的数值解法及实现  21-23
    2.4.2 控制方程  23
    2.4.3 初始条件和边界条件  23-24
    2.4.4 仿真计算  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章无人飞行器的建模  26-32
  3.1 无人飞行器建模中的几点假设  26-28
    3.1.1 无人飞行器的刚体模型  26
    3.1.2 大气模型  26-28
    3.1.3 小扰动假设  28
  3.2 无人飞行器运动方程的一般形式  28-29
  3.3 小扰动原理  29-30
  3.4 运动方程的小扰动线性化  30-31
  3.5 本章小结  31-32
第4章无人飞行器的控制方法研究  32-55
  4.1 无人飞行器的PID 控制  32-44
    4.1.1 PID 控制方法介绍  32
    4.1.2 PID 控制器设计  32-35
    4.1.3 三轴混合控制  35-44
  4.2 基于H_∞控制的无人飞行器的鲁棒控制  44-54
    4.2.1 H_∞控制方法设计思路  44
    4.2.2 标准的H_∞控制问题  44-47
    4.2.3 状态反馈H_∞控制方法  47-48
    4.2.4 H_∞控制器设计  48-49
    4.2.5 H_∞控制器仿真结果  49-54
  4.3 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-60
攻读学位期间发表的学术论文  60-62
致谢  62

涵道式无人飞行器系统的建模与控制策略研究

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