变体飞行器栖落机动轨迹优化与控制

发布时间：2022-12-23 07:39

　　飞行器栖落机动是受自然界中鸟类栖落过程的启发,通过迅速拉大飞行器攻角,利用大迎角姿态产生高阻力,从而实现快速减速并精准着陆的飞行过程。在飞行器进入栖落机动末段时,飞行器处于低速、大迎角的运动状态,传统舵面气动效率极低而无法进行有效的姿态操纵。针对该问题,本文提出了在飞行器中加入变体结构进行辅助操纵的解决方案。本文以一种可改变主翼位置的变体无人机为对象,对该变体无人机栖落机动的纵向运动进行了建模、轨迹优化与控制研究。首先,进行室内飞行实验,通过运动捕捉系统测量获得飞行数据。依据实验数据,结合平板气动理论建立了变体无人机的气动模型,并在该气动模型的基础上建立了变体无人机的纵向动力学模型。然后,采用广义伪谱优化软件（GPOPS）对所建立的变体无人机模型进行栖落过程轨迹优化研究。优化结果表明,与普通固定翼无人机相比,变体部件能够显著提高无人机的姿态操纵效率,从而改善无人机栖落机动性能。随后,以得到的最优轨迹为参考轨迹,设计了时变最优控制器来进行飞行器的轨迹跟踪控制。仿真结果表明,飞行器在偏离初始位置较小的情况下能够有效跟踪轨迹。变体结构也改善了飞行器的姿态操纵能力。最后,构建了变体无人机栖落机... 

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 课题研究背景及意义
    1.3 国内外栖落机动研究现状及发展
        1.3.1 国内外开展的主要项目
        1.3.2 非定常气动建模
        1.3.3 栖落轨迹优化的研究
        1.3.4 变体飞行器栖落机动的相关研究
        1.3.5 栖落机动控制技术及其研究进展
    1.4 栖落机动变体结构的引入意义
    1.5 研究内容及篇章结构安排
第二章 变体飞行器栖落机动建模
    2.1 引言
    2.2 飞行器过失速气动特性分析
    2.3 变体飞行器栖落机动气动建模
        2.3.1 大迎角气动特性的理论模型
        2.3.2 飞行器变形方案设计
        2.3.3 飞行实验与数据提取
        2.3.4 气动模型辨识与俯仰力矩推导
    2.4 变体飞行器栖落机动动力学建模
        2.4.1 坐标轴系与基本假设
        2.4.2 变体无人机动力学与运动学模型的建立
    2.5 本章小结
第三章 飞行器栖落机动轨迹优化
    3.1 引言
    3.2 基于GPOPS的Radau伪谱优化法
    3.3 栖落机动轨迹优化的约束与性能指标
        3.3.1 轨迹优化的约束设置
        3.3.2 轨迹优化的指标函数
    3.4 变体结构辅助俯仰操纵的原理分析与优化策略
    3.5 优化结果与分析
        3.5.1 大范围约束下优化结果对比
        3.5.2 变体和非变体栖落机动的姿态补偿方式
        3.5.3 针对栖落机动变体执行阶段的二次优化
    3.6 本章小结
第四章 变体飞行器栖落机动控制律设计
    4.1 引言
    4.2 模型分段线性化
    4.3 可控性分析
    4.4 时变最优控制律设计
    4.5 仿真分析
    4.6 本章小结
第五章 栖落机动室内飞行实验
    5.1 引言
    5.2 实验滑翔机设计
        5.2.1 变体结构设计
        5.2.2 机载元件及飞行参数
    5.3 运动捕捉系统
        5.3.1 运动捕捉系统校准
        5.3.2 运动捕捉系统测试
    5.4 飞行系统体系架构
        5.4.1 控制系统设计
        5.4.2 系统硬件设计
        5.4.3 系统软件设计
    5.5 实验结果
    5.6 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文研究内容总结
    6.2 后续工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文



本文编号：3725014