多旋翼无人机高空飞行稳定控制问题研究

发布时间：2017-03-30 05:15

  本文关键词：多旋翼无人机高空飞行稳定控制问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多旋翼无人机因其机械结构简单、维护使用方便、可垂直起降快速放飞等突出特点,近几年在各个应用领域发展迅速。相比于微小型四旋翼飞行器,大轴距的多旋翼无人机具有更好的载重能力、续航时间和抗风性,在工业现场应用中也更具实际价值。本文研究内容所依托的项目需应用八旋翼无人机在戈壁地区空旷多风的气候环境下完成飞行相高达一千米的吊挂负载飞行,对于多旋翼无人机这样一类本身定位在近地面使用的飞行平台而言,该相高尺度范围的任务可以称之为“高空飞行”。研究这一特殊工程背景下多旋翼无人机的稳定控制问题有助于进一步拓展该机型作业空间和应用领域。本文借鉴了前人关于直升机涡环状态的研究成果和旋翼的动力学建模方法,综合了理论分析和大量项目开发过程中的试验数据,以实际任务交付的八旋翼无人机系统对象为例,探讨了多旋翼无人机高空飞行稳定控制方面所需克服的几个主要问题,相应工作内容和贡献如下：(1) 结合旋翼动力学模型给出多旋翼无人机在高空飞行风场环境下的仿真建模方法,参与了八旋翼无人机半实物仿真平台的搭建和优化工作。为后续八旋翼无人机项目研发,控制律设计与调试、飞控系统软件设计打下了坚实的基础。(2) 在上述数学模型和半实物仿真环境基础上,结合对飞行试验过程中的数据分析,讨论了飞行过程中海拔高度变化引起的空气密度改变对旋翼气动特性的影响：第一,实际飞行数据中反应出海拔升高会使八旋翼无人机平均电机转速上升,导致用于姿态控制的转速裕量减少,这需要无人机在通道限幅器上做出相应处理。第二,无人机在不同海拔高度旋翼的转速-升力曲线特性发生变化,从而使飞机偏离原有的线性工作点,需调整内环增益来补偿空气密度变化产生的影响。(3)基于模型给出了评估八旋翼无人机抗风等级的方法,并结合试验数据说明了该方法的有效性。利用Matlab自带的线性化工具求得对象模型在控制律开环和闭环情况下风扰通道传递函数,验证了所设计的控制律姿态环、速度环在大风扰动情况下的跟踪性和鲁棒性。(4) 结合我们在较小尺寸的多旋翼无人机平台上所做的近涡环试验的现象和数据介绍了涡环状态在多旋翼无人机上的具体表现。对前人所做的涡环判据做了简要讨论并给出了多旋翼无人机快速下降过程中实际所采取的控制策略及可用于多旋翼无人机的涡环预警和改出策略。针对下降试验中存在的内环姿态设定值周期性波动问题,本文结合控制律频域设计分析方法给出了垂直下降过程中控制律的改进方向。(5) 作为对多旋翼无人机稳定控制问题讨论的延伸,第六章补充介绍了该套飞控系统高空作业过程中遇到几种典型特情的自动处理方法。从试验结果和项目交付后该八旋翼无人机在任务使用中的表现来看,本文所提出的控制方法,能有效提高无人机的稳定性和飞行品质。而引入的包括电量管理、强风下降在内的应急处理方法和控制策略能提高无人机安全返航率,在广义的稳定控制层面更好的保证多旋翼无人机的飞行安全。
【关键词】：多旋翼无人机 高空飞行 稳定控制 抗风 涡环状态 下降 应急处理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 1. 绪论14-23
• 1.1. 研究背景14-17
• 1.2. 研究目的与意义17-18
• 1.3. 所涉及领域的研究现状18-21
• 1.3.1. 海拔变化对多旋翼无人机控制的影响18-19
• 1.3.2. 风场扰动与抗风性问题19-20
• 1.3.3. 下降过程与涡环状态20-21
• 1.4. 研究内容及论文章节安排21-23
• 2. 八旋翼无人机平台介绍与系统建模23-37
• 2.1. 飞行平台介绍23-26
• 2.1.1. 机架和动力套装23-24
• 2.1.2. 供电系统24
• 2.1.3. 飞控分系统24-25
• 2.1.4. 地面测控系统25-26
• 2.1.5. 回收子系统26
• 2.2. 非线性机理建模26-33
• 2.2.1. 建模步骤26-27
• 2.2.2. 常用坐标系和术语27-28
• 2.2.3. 桨叶动力学模型28-31
• 2.2.4. 多旋翼无人机运动学模型及模型集成31-33
• 2.3. 半实物仿真平台搭建33-34
• 2.4. 近悬停工作点控制律34-36
• 2.5. 本章小节36-37
• 3. 海拔变化对控制系统的影响37-43
• 3.1. 引言37
• 3.2. 海拔变化对多旋翼无人机电机平均转速的影响37-39
• 3.3. 空气密度改变对旋翼转速升力曲线特性的影响39-41
• 3.4. 实用升限评估方法41-42
• 3.5. 本章小节42-43
• 4. 多旋翼无人机高空飞行抗风性问题43-52
• 4.1. 引言43-44
• 4.1.1. 大气运动对多旋翼无人机的影响43
• 4.1.2. 风场类型简介43-44
• 4.2. 多旋翼无人机抗风等级评估44-46
• 4.3. 高空风场扰动分析46-50
• 4.4. 控制律抗风性问题改进50-51
• 4.5. 本章小节51-52
• 5. 下降过程与涡环状态52-68
• 5.1. 多旋翼无人机涡环状态52-55
• 5.1.1. 涡环状态简介52-53
• 5.1.2. 多旋翼无人机近涡环试验及现象分析53-55
• 5.2. 涡环判据55-56
• 5.3. 前飞下降试验及实际作业中的操作方法56-60
• 5.4. 多旋翼无人机涡环预警及改出策略60-61
• 5.5. 垂直下降过程控制律设计与改进61-67
• 5.6. 本章小节67-68
• 6. 高空飞行紧急情况处理68-78
• 6.1. 飞控系统层级结构与应急处理模块68-69
• 6.2. 电量管理69-71
• 6.2.1. 剩余电量估计69-70
• 6.2.2. 电量管理策略70-71
• 6.3. 数传失联71-73
• 6.3.1. 数传链路中断原因71-72
• 6.3.2. 失联检查72-73
• 6.3.3. 失联应急处置方案73
• 6.4. 强风情况73-75
• 6.4.1. 强风检测73-74
• 6.4.2. 强风应急下降74-75
• 6.5. 卫星定位系统失效75-77
• 6.6. 本章小节77-78
• 7. 总结与展望78-80
• 7.1. 总结78
• 7.2. 展望78-80
• 参考文献80-82
• 个人简介及科研成果82

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 辛健成;美国海军无人机发展历程[J];机器人技术与应用;2000年05期

2 时兆峰;以色列组建专门的无人机管理部门[J];飞航导弹;2001年10期

3 徐文;俄罗斯的无人机系统——格兰特[J];飞航导弹;2003年07期

4 何一波;各国使用的主要轻型无人机[J];飞航导弹;2003年11期

5 马晓平;系统工程学在无人机研制中的应用[J];航空科学技术;2003年04期

6 柯边;“影子200”战术无人机[J];航天电子对抗;2003年06期

7 温羡峤,李英;从美国无人机的发展来看无人机在未来战争中的应用前景[J];现代防御技术;2003年05期

8 王永寿;日本无人机的研究开发现状与动向[J];飞航导弹;2003年08期

9 袁刚辉;徐志红;;不断壮大的俄罗斯无人机家族[J];现代兵器;2003年02期

10 徐文;俄罗斯无人机的发展现状[J];飞航导弹;2004年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王林;张庆杰;朱华勇;沈林成;;远程异地多无人机系统控制权切换技术研究[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

2 谭健美;张琚;闫娟;;信息无人机系统——无人机发展史上新的里程碑[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年

3 黄爱凤;邓克绪;;民用无人机发展现状及关键技术[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年

4 刘长亮;;无人机发动机气道开度自适应机构的设计与实现[A];2009年中国智能自动化会议论文集（第三分册）[C];2009年

5 丁霖;;无人机系统人机交互界面浅析[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

6 刘泽坤;吕继淮;;舰载无人机系统的环境适应性[A];人—机—环境系统工程创立20周年纪念大会暨第五届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2001年

7 叶烽;宋祖勋;;无人机系统电磁兼容性测试研究[A];第十四届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2004年

8 易当祥;吕国志;沈玲玲;;多级路况下车载无人机疲劳载荷仿真[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年

9 钱正祥;金继才;杨鹭怡;;未来局部战争中反无人机作战对策研究[A];探索创新交流－－中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年

10 高鹏骐;晏磊;赵红颖;何定洲;;无人机遥感控制平台的设计与实现[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 洪山;法国、德国和西班牙签约共同研发三国无人机系统[N];中国航空报;2007年

2 崔玺康;对抗无人机所面临的新挑战[N];中国航空报;2007年

3 林英;无人机将进入现代化农业领域[N];光明日报;2007年

4 本报记者 陈永杰　马佳;中国无人机亮相：战争“零伤亡”将实现[N];北京科技报;2008年

5 祖茜枫;“综合者”：携带小导弹的小无人机[N];中国国防报;2008年

6 王磊;印度期望打造强大无人机部队[N];学习时报;2009年

7 李荔;无人机“俯瞰”黄河灾情[N];北京科技报;2011年

8 本报记者 宋斌斌;我国无人机应用高端化趋势明显[N];中国工业报;2011年

9 吴飞;反恐十年无人机扶摇直上[N];中国航空报;2011年

10 司古;美无人机遭神秘病毒入侵[N];国防时报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘洋;动态环境中的无人机路径规划研究[D];西北工业大学;2015年

2 陈岩;蚁群优化理论在无人机战术控制中的应用研究[D];国防科学技术大学;2007年

3 林林;基于协同机制的多无人机任务规划研究[D];北京邮电大学;2013年

4 刘春阳;无人机隐身技术若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年

5 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 黄国勇;变推力轴线无人机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年

7 郑维刚;基于无人机红外影像技术的配电网巡检系统研究[D];沈阳农业大学;2014年

8 许德新;无人机光电载荷视轴稳定技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

9 唐晏;基于无人机采集图像的植被识别方法研究[D];成都理工大学;2014年

10 王世华;碟型涵道式无人机总体设计及飞行控制系统理论与仿真研究[D];复旦大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赵敏;分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D];南京理工大学;2009年

2 刘志花;无人机故障预测与健康管理技术研究[D];北京化工大学;2010年

3 刘爱兵;可变形无人机设计[D];南京航空航天大学;2009年

4 易姝姝;无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现[D];电子科技大学;2010年

5 张佳璐;无人机项目综合评价研究[D];北京邮电大学;2011年

6 赵志鸿;某型无人机双发火箭助推发射动力学建模与仿真研究[D];南京理工大学;2007年

7 李建华;某无人机发射系统技术研究[D];南京理工大学;2008年

8 戴世通;无人机飞行可视化仿真系统设计[D];西安理工大学;2008年

9 曹攀峰;敌对与非敌对环境下无人机群的协同搜索路径与策略研究[D];复旦大学;2010年

10 张锡宪;无人机测控中数据传输系统设计与实现[D];电子科技大学;2009年

  本文关键词：多旋翼无人机高空飞行稳定控制问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：276315