基于滑模理论的倾转旋翼无人机过渡模态飞行控制

发布时间：2020-09-21 08:37

　　倾转旋翼无人机是一种特殊的飞行器,它的机翼两侧各安装了一套能够倾转的旋翼。随着旋翼位置的变化,无人机工作在不同的飞行模态:直升机模态、固定翼模态及介于两者之间的过渡模态。倾转旋翼无人机既有垂直起降、低空低速飞行的能力,又能够实现高速、远距离巡航。其独特的构型给其带来出色的性能,但也产生了许多新的技术难题。尤其是在过渡模态阶段,无人机存在气动特性复杂、操纵冗余、交叉耦合等问题,给飞控系统的设计带来极大的挑战。本文以一小型倾转旋翼无人机为研究对象,研究其过渡模态飞行的控制方法,主要工作如下:首先,建立了倾转旋翼无人机的动力学与运动学方程。分析无人机在各个飞行模态下的操纵策略。针对过渡模态飞行阶段,在不同倾转角下对无人机模型进行配平,确定一条安全的“倾转路径”。此外,为了简化控制系统的设计,将倾转旋翼无人机模型解耦为纵向和横侧向模型。其次,考虑到无人机在不同倾转角下操纵特性会发生变化,提出了一套适合过渡模态的纵向控制策略。对无人机纵向模型中的各通道设计滑模控制器,使得系统状态有限时间内收敛到滑模面,渐近收敛到平衡点,结合扩张状态观测器,提升系统鲁棒性。针对过渡模态中,无人机气动舵面与旋翼拉力矢量操纵冗余的问题,给出一种简单、实用的控制分配策略。仿真结果证明了控制方法的有效性。最后,为改善系统收敛特性,针对倾转旋翼无人机设计有限时间控制器,采用非奇异终端滑模控制方法,结合扩张状态观测器,使系统状态有限时间收敛到平衡点。此外,参照纵向控制思路,提出一套横侧向运动控制方法及控制分配策略。将纵向及横侧向控制器同时作用于倾转旋翼无人机全量模型。仿真结果表明,无论系统中是否存在扰动,无人机都能安全、平稳地完成过渡飞行,系统动态及稳态性能良好,鲁棒性强。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249.1

【参考文献】