倾转三旋翼飞行器动态特性分析与非线性控制研究
发布时间：2021-07-29 09:54
近年来,随着各类技术的不断进步,各类旋翼无人机得到了较快的发展。其中倾转式三旋翼无人机结合了多旋翼无人机与倾转式旋翼机的优势,同时也存在欠驱动、非线性、静不稳定等特性。因此,关于这类无人机的研究,受到了相关科研机构的重视。本文主要研究了倾转式三旋翼无人机数学模型分析及控制律设计问题,分别设计了针对倾转式三旋翼无人机姿态及高度的非线性自适应控制器以及针对倾转式三旋翼无人机的位置非线性控制器,进行了相应的稳定性分析,并通过半实物仿真平台验证了所设计控制律的有效性与鲁棒性。本文研究内容主要包括以下三方面:一、针对倾转式三旋翼无人机较为特殊的动力学特性,分别对该类无人机位置子系统及姿态子系统的运动学及动力学模型进行了较为详细的分析。二、倾转式三旋翼无人机实际飞行过程中旋翼升力系数及反扭矩系数测量难度较大,此外,无人机易受到外界未知扰动的影响,为补偿动力学模型中参数不确定性及外界扰动,本文设计了一类非线性自适应鲁棒控制策略实现对无人机姿态和高度的控制。同时基于李雅普诺夫（Lyapunov）分析方法证明了无人机闭环动力学系统的渐近稳定性,并通过半实物在环仿真平台完成了镇定及抗扰动飞行实验,验证了所...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固定翼无人机
随着科学技术的进步与发展，无人飞行器 (Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV) 迎来了井喷式的发展[1]。在诸多军事民生领域替代了有人飞行器完成空中武装打击、军事侦察监视、航拍遥感测绘、快递邮件派送甚至节庆婚礼拍摄等任务，节省了人力成本、简化了飞行器布局、降低了危险系数，为人们的生产生活带来了极大的便利，基于无人飞行器的研究也逐步成为了众多学科的研究热点[2][3][4]。如图1-1-图1-4所示，依照翼型结构，无人飞行器可主要分为以下几类：固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机（Multiple Rotor Unmanned AerialVehicle)、扑翼无人机等[5]。不同翼型结构的无人机其特点也不尽相同，固定翼无人机，机翼与机身相连，类似于常见的飞机气动布局，载重较大，可完成长距离飞行，多用于军事领域；无人直升机气动布局类似于常见的直升机，其飞行状态的操纵由旋翼桨盘完成，这类无人机续航时间长，可垂直起降，在军民领域都有巨大的应用前景；多旋翼无人机依靠调节各旋翼转速实现升力与姿态的控制，这类无人机相比其他翼型无人机机械结构更为简单紧凑，机动能力强，具备较好的操纵性，能够适应室内外不同环境，因而在民用无人机领域发展最为迅猛[6]。
图 1-3 多旋翼无人机 图 1-4 扑翼直升机1.1研究 与多旋翼无人机能够垂直起降（Vertical Takeoff and Landing 简称 VTOL）、定点悬停且体积轻便、机动性能良好、便于操作，是目前世界上小型民用无人飞行器广泛采用的一种气动构型[7]。早在上个世纪初，第一架四旋翼直升飞机便在法国成功试飞，然而由于多项技术瓶颈的限制，多旋翼气动构型并没有得到广泛应用[8]。进入本世纪后，随着新材料技术、微电子技术、微机电系统 (MicroElectrical Mechanical System 简称 MEMS) 技术、导航与制导技术及飞行器控制技术等的突破式进步，关于多旋翼无人机的研究得以快速发展，这一类无人机开始在诸多领域崭露头角，扮演着愈发重要的角色，问世的多旋翼无人机产品也开始增多[9]。较为有代表性的如我国深圳市大疆创新科技公司推出的 INSPIRE 2 无人机，如图1-5所示，其 加速时间仅为 秒，最大飞行速度可达 ，续航时间可达 27 分钟，采用传感器冗余技术，并具备一定的蔽障能力；我国零
【参考文献】：
期刊论文
[1]大疆无人机目标红外辐射特性测量及温度反演[J]. 陈超帅,王世勇. 光电工程. 2017(04)
[2]UAV集群自主协同决策控制的研究现状与分析[J]. 马培蓓,纪军,单岳春. 飞航导弹. 2017(03)
[3]无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计[J]. 鲜斌,张旭,杨森. 控制理论与应用. 2016(03)
[4]四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计[J]. 郝伟,鲜斌. 控制理论与应用. 2015(11)
[5]欠驱动四旋翼飞行器反演模糊自适应控制[J]. 杨立本,章卫国,黄得刚,车军. 西北工业大学学报. 2015(03)
[6]小型无人倾转旋翼机气动与操纵特性试验研究[J]. 郭剑东,宋彦国. 空气动力学学报. 2015(01)
[7]四旋翼飞行器在消防救援中应用前景广阔[J]. 王旭东. 中国消防. 2014(19)
[8]四旋翼飞行器模型的气动参数辨识[J]. 赵述龙,安宏雷,刘建平,马宏绪. 电子测量与仪器学报. 2013(08)
[9]三旋翼飞行器动力学分析及建模[J]. 杨阳,崔金峰,余毅. 光学精密工程. 2013(07)
[10]智能无人机综述[J]. 张涛,芦维宁,李一鹏. 航空制造技术. 2013(12)
本文编号：3309113
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固定翼无人机
随着科学技术的进步与发展，无人飞行器 (Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV) 迎来了井喷式的发展[1]。在诸多军事民生领域替代了有人飞行器完成空中武装打击、军事侦察监视、航拍遥感测绘、快递邮件派送甚至节庆婚礼拍摄等任务，节省了人力成本、简化了飞行器布局、降低了危险系数，为人们的生产生活带来了极大的便利，基于无人飞行器的研究也逐步成为了众多学科的研究热点[2][3][4]。如图1-1-图1-4所示，依照翼型结构，无人飞行器可主要分为以下几类：固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机（Multiple Rotor Unmanned AerialVehicle)、扑翼无人机等[5]。不同翼型结构的无人机其特点也不尽相同，固定翼无人机，机翼与机身相连，类似于常见的飞机气动布局，载重较大，可完成长距离飞行，多用于军事领域；无人直升机气动布局类似于常见的直升机，其飞行状态的操纵由旋翼桨盘完成，这类无人机续航时间长，可垂直起降，在军民领域都有巨大的应用前景；多旋翼无人机依靠调节各旋翼转速实现升力与姿态的控制，这类无人机相比其他翼型无人机机械结构更为简单紧凑，机动能力强，具备较好的操纵性，能够适应室内外不同环境，因而在民用无人机领域发展最为迅猛[6]。
图 1-3 多旋翼无人机 图 1-4 扑翼直升机1.1研究 与多旋翼无人机能够垂直起降（Vertical Takeoff and Landing 简称 VTOL）、定点悬停且体积轻便、机动性能良好、便于操作，是目前世界上小型民用无人飞行器广泛采用的一种气动构型[7]。早在上个世纪初，第一架四旋翼直升飞机便在法国成功试飞，然而由于多项技术瓶颈的限制，多旋翼气动构型并没有得到广泛应用[8]。进入本世纪后，随着新材料技术、微电子技术、微机电系统 (MicroElectrical Mechanical System 简称 MEMS) 技术、导航与制导技术及飞行器控制技术等的突破式进步，关于多旋翼无人机的研究得以快速发展，这一类无人机开始在诸多领域崭露头角，扮演着愈发重要的角色，问世的多旋翼无人机产品也开始增多[9]。较为有代表性的如我国深圳市大疆创新科技公司推出的 INSPIRE 2 无人机，如图1-5所示，其 加速时间仅为 秒，最大飞行速度可达 ，续航时间可达 27 分钟，采用传感器冗余技术，并具备一定的蔽障能力；我国零
【参考文献】：
期刊论文
[1]大疆无人机目标红外辐射特性测量及温度反演[J]. 陈超帅,王世勇. 光电工程. 2017(04)
[2]UAV集群自主协同决策控制的研究现状与分析[J]. 马培蓓,纪军,单岳春. 飞航导弹. 2017(03)
[3]无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计[J]. 鲜斌,张旭,杨森. 控制理论与应用. 2016(03)
[4]四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计[J]. 郝伟,鲜斌. 控制理论与应用. 2015(11)
[5]欠驱动四旋翼飞行器反演模糊自适应控制[J]. 杨立本,章卫国,黄得刚,车军. 西北工业大学学报. 2015(03)
[6]小型无人倾转旋翼机气动与操纵特性试验研究[J]. 郭剑东,宋彦国. 空气动力学学报. 2015(01)
[7]四旋翼飞行器在消防救援中应用前景广阔[J]. 王旭东. 中国消防. 2014(19)
[8]四旋翼飞行器模型的气动参数辨识[J]. 赵述龙,安宏雷,刘建平,马宏绪. 电子测量与仪器学报. 2013(08)
[9]三旋翼飞行器动力学分析及建模[J]. 杨阳,崔金峰,余毅. 光学精密工程. 2013(07)
[10]智能无人机综述[J]. 张涛,芦维宁,李一鹏. 航空制造技术. 2013(12)
本文编号：3309113
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