小型无人直升机混沌状态的控制研究
发布时间：2022-10-29 20:58
近年来,小型无人直升机以其机动性高,灵活性强的优势,在民用和军事领域得到了广泛的应用,但是小型无人直升机的结构复杂,具有强非线性和耦合性且开环不稳定,同时它容易受到不确定因素的影响,导致机身产生振荡。课题组基于小型无人直升机的数学模型分析了其动力学特性,发现直升机在配重失当的情况下,角速度会产生混沌振荡,在实际中会导致机体发生剧烈抖动,最终失控坠机。本文主要研究小型无人直升机的控制,尤其是系统产生混沌振荡状态的控制问题。通过对系统方程的合理简化,构建了直升机悬停和低速飞行时的数学模型,并分析了直升机的动力学特性,得到直升机的角速度混沌振荡状态会导致机体极度不稳定,因此本文分别设计滑模变结构控制器（SMC）和高阶微分反馈控制器（HODFC）对直升机的角速度混沌振荡进行控制。本文采用滑模变结构控制策略,逐步设计了小型无人直升机各个子系统的滑模控制律,实现了直升机位置和姿态的跟踪控制。对角速度能够产生混沌状态的直升机进行控制研究,得到以下结论:对尚未出现角速度混沌状态的系统,加载控制器可有效镇定混沌振荡的发生;对已出现角速度混沌状态的系统,加载控制器无法镇定混沌振荡,通过加载重新设计的角速度...
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 小型无人直升机的研究现状
1.2.1 动力学建模
1.2.2 动力学分析
1.2.3 飞行控制算法
1.3 小型无人直升机研究中存在的问题
1.4 本文主要研究内容
第二章 小型无人直升机动力学模型及姿态动力学分析
2.1 坐标系与坐标变换
2.1.1 坐标系
2.1.1.1 本地北东地坐标系
2.1.1.2 机体坐标系
2.1.2 坐标变换
2.2 小型无人直升机动力学模型
2.3 小型无人直升机的姿态动力学分析
2.3.1 姿态动力学分析
2.3.2 角速度混沌状态
2.4 本章小结
第三章 小型无人直升机的滑模变结构控制
3.1 滑模变结构控制
3.1.1 滑动模态的定义
3.1.2 指数趋近律
3.1.3 滑模变结构控制的定义
3.2 小型无人直升机滑模变结构控制器的设计
3.2.1 控制器设计步骤
3.2.2 控制器设计过程
3.2.2.1 高度子系统控制器的设计
3.2.2.2 航向子系统控制器的设计
3.2.2.3 姿态解算模块
3.2.2.4 前向和侧向子系统控制器的设计
3.2.3 悬停状态仿真
3.3 混沌无人直升机系统的控制
3.3.1 尚未出现混沌情况下的姿态角控制
3.3.2 出现混沌情况下的姿态角控制
3.3.3 出现混沌情况下的角速度控制
3.4 本章小结
第四章 小型无人直升机的高阶微分反馈控制
4.1 高阶微分反馈控制
4.1.1 存在外界干扰的SISO非线性仿射系统
4.1.2 高阶微分器
4.1.3 非线性SISO系统的高阶微分反馈控制器
4.2 小型无人直升机高阶微分反馈控制的设计
4.2.1 控制器设计过程
4.2.1.1 高度子系统控制器的设计
4.2.1.2 航向子系统控制器的设计
4.2.1.3 位置xP和yP子系统控制器的设计
4.2.1.4 姿态角子系统控制器的设计
4.2.2 低速盘旋飞行仿真
4.2.3 高阶微分控制和滑模变结构控制的对比分析
4.2.3.1 机身结构改变的情况
4.2.3.2 强外界干扰的情况
4.3 混沌无人直升机系统的控制
4.3.1 尚未出现混沌情况下的姿态角控制
4.3.2 出现混沌情况下的姿态角控制
4.3.3 出现混沌情况下的角速度控制
4.4 本章小结
第五章 实验平台及实验验证
5.1 实验平台的构建
5.1.1 小型电动直升机
5.1.2 无人直升机电子系统
5.1.3 旋转平台和防护网
5.1.4 手动遥控实验
5.2 控制器实验验证
5.2.1 无人四旋翼数学模型
5.2.2 高度控制实验
5.2.3 航向角控制实验
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型无人直升机姿态混沌动力学分析[J]. 齐国元,黄东辉. 天津工业大学学报. 2019(04)
[2]一种新型控制方法——自抗扰控制技术及其工程应用综述[J]. 陈增强,刘俊杰,孙明玮. 智能系统学报. 2018(06)
[3]基于神经网络的小型无人直升机非线性鲁棒控制设计[J]. 鲜斌,张浩楠. 控制与决策. 2018(04)
[4]基于神经网络的舰载无人直升机着舰控制研究[J]. 翟红云. 舰船科学技术. 2017(18)
[5]改进滑模控制器在无人直升机控制系统中的应用[J]. 詹国兵. 电光与控制. 2017(10)
[6]线性自抗扰控制理论及工程应用的若干进展[J]. 陈增强,程赟,孙明玮,孙青林. 信息与控制. 2017(03)
[7]无人直升机作战用途研究[J]. 谢汉桥,欧旭晖,石涛,陈振教,曾峥. 飞航导弹. 2017(01)
[8]小型无人直升机浸入–不变集自适应控制[J]. 姜鑫燃,鲜斌. 控制理论与应用. 2015(10)
[9]串级自抗扰控制器在纵列式双旋翼直升机飞行姿态控制中的应用[J]. 陈增强,李毅,袁著祉,孙明玮,刘忠信,孙青林. 控制理论与应用. 2015(09)
[10]Height and attitude active disturbance rejection controller design of a small-scale helicopter[J]. TANG Shuai,YANG QiuHui,QIAN ShaoKe,ZHENG ZhiQiang. Science China（Information Sciences）. 2015(03)
博士论文
[1]小型无人直升机动态分析与非线性控制研究[D]. 郭建川.天津大学 2014
[2]无人直升机建模与控制技术研究[D]. 王小青.南京航空航天大学 2009
[3]基于视觉信息的微小型无人直升机地标识别与位姿估计研究[D]. 任沁源.浙江大学 2008
[4]非线性系统新型估计器及其在控制中的应用[D]. 齐国元.南开大学 2004
[5]武装直升机大机动、高敏捷性神经网络鲁棒自适应飞行控制研究[D]. 张锐.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]基于小型无人直升机的森林火灾实时监测与跟踪系统设计[D]. 刘雨曦.华南理工大学 2018
[2]微小型无人直升机角动态的建模研究[D]. 刘斐.浙江大学 2008
本文编号：3698408
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 小型无人直升机的研究现状
1.2.1 动力学建模
1.2.2 动力学分析
1.2.3 飞行控制算法
1.3 小型无人直升机研究中存在的问题
1.4 本文主要研究内容
第二章 小型无人直升机动力学模型及姿态动力学分析
2.1 坐标系与坐标变换
2.1.1 坐标系
2.1.1.1 本地北东地坐标系
2.1.1.2 机体坐标系
2.1.2 坐标变换
2.2 小型无人直升机动力学模型
2.3 小型无人直升机的姿态动力学分析
2.3.1 姿态动力学分析
2.3.2 角速度混沌状态
2.4 本章小结
第三章 小型无人直升机的滑模变结构控制
3.1 滑模变结构控制
3.1.1 滑动模态的定义
3.1.2 指数趋近律
3.1.3 滑模变结构控制的定义
3.2 小型无人直升机滑模变结构控制器的设计
3.2.1 控制器设计步骤
3.2.2 控制器设计过程
3.2.2.1 高度子系统控制器的设计
3.2.2.2 航向子系统控制器的设计
3.2.2.3 姿态解算模块
3.2.2.4 前向和侧向子系统控制器的设计
3.2.3 悬停状态仿真
3.3 混沌无人直升机系统的控制
3.3.1 尚未出现混沌情况下的姿态角控制
3.3.2 出现混沌情况下的姿态角控制
3.3.3 出现混沌情况下的角速度控制
3.4 本章小结
第四章 小型无人直升机的高阶微分反馈控制
4.1 高阶微分反馈控制
4.1.1 存在外界干扰的SISO非线性仿射系统
4.1.2 高阶微分器
4.1.3 非线性SISO系统的高阶微分反馈控制器
4.2 小型无人直升机高阶微分反馈控制的设计
4.2.1 控制器设计过程
4.2.1.1 高度子系统控制器的设计
4.2.1.2 航向子系统控制器的设计
4.2.1.3 位置xP和yP子系统控制器的设计
4.2.1.4 姿态角子系统控制器的设计
4.2.2 低速盘旋飞行仿真
4.2.3 高阶微分控制和滑模变结构控制的对比分析
4.2.3.1 机身结构改变的情况
4.2.3.2 强外界干扰的情况
4.3 混沌无人直升机系统的控制
4.3.1 尚未出现混沌情况下的姿态角控制
4.3.2 出现混沌情况下的姿态角控制
4.3.3 出现混沌情况下的角速度控制
4.4 本章小结
第五章 实验平台及实验验证
5.1 实验平台的构建
5.1.1 小型电动直升机
5.1.2 无人直升机电子系统
5.1.3 旋转平台和防护网
5.1.4 手动遥控实验
5.2 控制器实验验证
5.2.1 无人四旋翼数学模型
5.2.2 高度控制实验
5.2.3 航向角控制实验
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文总结
6.2 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型无人直升机姿态混沌动力学分析[J]. 齐国元,黄东辉. 天津工业大学学报. 2019(04)
[2]一种新型控制方法——自抗扰控制技术及其工程应用综述[J]. 陈增强,刘俊杰,孙明玮. 智能系统学报. 2018(06)
[3]基于神经网络的小型无人直升机非线性鲁棒控制设计[J]. 鲜斌,张浩楠. 控制与决策. 2018(04)
[4]基于神经网络的舰载无人直升机着舰控制研究[J]. 翟红云. 舰船科学技术. 2017(18)
[5]改进滑模控制器在无人直升机控制系统中的应用[J]. 詹国兵. 电光与控制. 2017(10)
[6]线性自抗扰控制理论及工程应用的若干进展[J]. 陈增强,程赟,孙明玮,孙青林. 信息与控制. 2017(03)
[7]无人直升机作战用途研究[J]. 谢汉桥,欧旭晖,石涛,陈振教,曾峥. 飞航导弹. 2017(01)
[8]小型无人直升机浸入–不变集自适应控制[J]. 姜鑫燃,鲜斌. 控制理论与应用. 2015(10)
[9]串级自抗扰控制器在纵列式双旋翼直升机飞行姿态控制中的应用[J]. 陈增强,李毅,袁著祉,孙明玮,刘忠信,孙青林. 控制理论与应用. 2015(09)
[10]Height and attitude active disturbance rejection controller design of a small-scale helicopter[J]. TANG Shuai,YANG QiuHui,QIAN ShaoKe,ZHENG ZhiQiang. Science China（Information Sciences）. 2015(03)
博士论文
[1]小型无人直升机动态分析与非线性控制研究[D]. 郭建川.天津大学 2014
[2]无人直升机建模与控制技术研究[D]. 王小青.南京航空航天大学 2009
[3]基于视觉信息的微小型无人直升机地标识别与位姿估计研究[D]. 任沁源.浙江大学 2008
[4]非线性系统新型估计器及其在控制中的应用[D]. 齐国元.南开大学 2004
[5]武装直升机大机动、高敏捷性神经网络鲁棒自适应飞行控制研究[D]. 张锐.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]基于小型无人直升机的森林火灾实时监测与跟踪系统设计[D]. 刘雨曦.华南理工大学 2018
[2]微小型无人直升机角动态的建模研究[D]. 刘斐.浙江大学 2008
本文编号：3698408
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3698408.html
