基于马格纳斯效应控制舵的涵道飞行器及控制策略

发布时间：2017-11-25 18:04

  本文关键词：基于马格纳斯效应控制舵的涵道飞行器及控制策略

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【摘要】：涵道飞行器具有结构紧凑,机动灵活,人机交互安全等特点,可实现垂直起飞降落以及空中悬停等飞行特性,其气动效率高,有较强的抗风能力。本文针对现有采用叶片控制机构的涵道飞行器所存在的控制力矩非线性饱和对升力产生波动的问题,提出了基于马格纳斯效应的涵道飞行器结构,该结构为四个呈十字对称安装在涵道底部的空心轮作为控制机构,通过调节空心轮的旋转速度和方向对涵道飞行器进行姿态调节,其输出的控制力矩与转速之间关系是线性的。本文针对所提出的基于马格纳斯效应的涵道飞行器,从空气动力学、系统动力学、控制理论和实验的角度展开研究。采用计算空气动力学的方法完成基于马格纳斯效应的涵道飞行器的研制。建立了三维涵道飞行器模型和流场网格划分,对涵道飞行器的悬停和前飞两种飞行状态进行空气动力学分析,验证了基于马格纳斯效应的控制机构可以实现涵道飞行器姿态控制。作为涵道飞行器的执行机构的主要部件,对空心圆筒进行空气动力学分析,证实了三维几何尺寸下的马格纳斯效应;通过对圆筒及哑铃形的对比分析,确立了提升马格纳斯效应效率的结构优化方案。在空气动力学分析的基础上,对涵道、圆筒和哑铃形进行了结构优化,并使控制机构处于涵道飞行器合适位置,使其受外部流场影响最小。通过结构优化设计使涵道飞行器的结构更加合理,充分利用了马格纳斯效应,使涵道飞行器的姿态直接由马格纳斯效应产生的空气动力来控制,为飞行试验研究提供了依据。从系统动力学角度对涵道飞行器进行建模,得到涵道飞行器整体动力学模型。根据自由刚体运动学建立了涵道飞行器本体坐标系和姿态角表示方法,通过姿态运动学分析,得出涵道飞行器的线运动和角运动的运动方程。建立了含有空心轮和螺旋桨自由度的涵道飞行器的运动模型。由库塔-儒科夫斯基升力理论和马格纳斯效应原理建立了旋转空心轮的力—转速模型。采用拉格朗日方法建立了涵道飞行器整体非线性动力学方程模型。为涵道飞行器的控制系统设计和涵道飞行器的可行性验证奠定了基础。涵道飞行器是复杂的非线性强耦合系统,其跟踪轨迹和运动中姿态镇定问题仍是研究的重点和难点。为此,提出了一种基于虚拟力(力矩)导向的涵道飞行器控制策略。与现有控制策略相比较,该控制策略直接采用了考虑控制舵和螺旋桨运动的整体动力学方程,理论上解决了期望控制输入与执行器机构(马格纳斯效应器和螺旋桨系统)各项命令之间的非线性映射问题。通过闭环系统稳定性分析,证明了该控制策略能够使飞行器在轨迹跟踪过程中保持姿态镇定。在完成控制器设计的基础上对涵道飞行器的仿真分析,从仿真结果可知,实现了良好的轨迹跟踪和姿态镇定。由于涵道飞行器动力学模型极为复杂,导致控制计算量大,从实用化的角度提出了线性分层控制策略。对复杂非线性动力学模型进行线性化,得到涵道飞行器的运动分解模型。以期望控制输入与执行机构各项命令之间的非线性映射模型为基础,揭示了机身动力学和控制机构之间的内在耦合关系,设计了一种简易实用型解耦网络,最终建立了一种以机身控制器和执行机构控制器分离设计为基础的线性分层控制策略。基于鲁棒控制理论,设计了外层控制器(机身控制器),并通过对上层的控制系统进行频域分析和外部扰动对系统状态误差的奇异值分析,得出了线性分层控制策略能够保证系统收敛并稳定的结论。在此基础上进行了系统阶跃响应分析。针对由偏航运动和由系统模型简化导致的未建模不确定性所引起的波动,提出了一种非线性耦合项补偿策略。为进一步验证所设计的线性分层控制器的控制效果,以前面提出的整体动力学方程作为虚拟飞行器,对其进行连续命令飞行、阶跃响应和自由飞行三种飞行模式的仿真。结果表明,控制器能够使涵道飞行器整体闭环动力学模型稳定并达到良好控制效果。为验证本文所研究的理论和方法的有效性,需要进行实验研究。搭建了涵道飞行器的测试系统,设计了以ARM为核心的控制器,完成了姿态检测模块,通信模块,涵道飞行机器人的电气系统,完成了姿态控制系统程序设计。针对利用马格纳斯效应的控制机构对涵道飞行器姿态调节能力进行验证,进行了俯仰角姿态控制实验。为进一步验证系统动力学中所设计的控制策略和控制机构的快速响应性能,进行了悬停实验、悬停扰动实验和角度跟踪控制实验研究。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249

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本文编号：1226885