螺旋桨无人机火箭助推发射过程控制及影响因素分析研究

发布时间：2017-08-13 18:37

  本文关键词：螺旋桨无人机火箭助推发射过程控制及影响因素分析研究

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【摘要】：无人机发射过程是机体飞行中一个十分重要的阶段,确保无人机安全、稳定地完成发射任务是研究无人机的一个重点和难点。本文以折叠机翼、箱式发射、火箭助推起飞方式的无人机为研究对象,重点研究了无人机在发射阶段的影响因素,如机翼折叠时间、发动机离合时间等,并且为了稳定发射阶段无人机的姿态,分别基于PID和自适应控制方法设计了无人机发射过程飞行控制系统,并经过仿真验证了系统的可行性。首先,本文采用机理建模的方法,对无人机发射过程进行受力分析,根据无人机机翼是否展开,将建模过程分为机翼展开前质点对象建模和机翼展开后刚体对象建模。基于模块化的思想,分别建立了无人机重力模型、发动机推力模型、火箭推力模型和气动力及气动力矩模型等。在此基础上,借助Matlab仿真软件建立了无人机发射阶段的数学模型,并对其进行线性化。其次,为了保证无人机发射阶段飞行的稳定和安全,着重分析了无人机助推发射阶段中各种因素对飞行性能造成的影响。本文根据发射阶段无人机多刚体物理结构,将影响因素分为四类:无人机机体固有因素、火箭助推器因素、发射装置影响因素和外界影响因素。因无人机采用折叠机翼、箱式发射的特殊发射方式,本文以发射阶段结束时无人机应该达到的安全高度和速度为指标,重点研究了发动机离合时间、机翼展开时间、火箭安装位置、机体发射角和外界风干扰等因素。再次,设计了无人机发射过程的飞行控制系统。本文分别采取PID控制方法和自适应控制方法进行设计。首先采用PID控制方法设计了无人机发射阶段的控制系统,并以俯仰角控制系统为例,利用SPSA控制参数整定法简化了参数调节过程;然后利用自适应控制方法设计了无人机发射阶段的姿态控制系统,最后分别对两种方法设计的控制系统进行仿真验证。最后,基于Matlab/GUI软件设计了无人机飞行仿真界面,实现了无人机Simulink仿真模型和GUI界面无缝结合的功能。仿真界面设计结果表明,飞行控制系统仿真界面可以实现状态量与控制量的实时显示、在线调节控制参数等多种功能,验证了飞行系统的可行性。
【关键词】：螺旋桨无人机 火箭助推 折叠机翼 箱式发射 风干扰 自适应控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.1.1 无人机的发展概述14-15
• 1.1.2 无人机发射过程研究意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-19
• 1.3 本文的研究内容19-22
• 1.3.1 本文研究的主要内容19-20
• 1.3.2 拟解决的关键问题20
• 1.3.3 本文章节安排20-22
• 第二章 无人机发射过程数学模型建立22-35
• 2.1 引言22
• 2.2 机翼展开前无人机数学建模22-24
• 2.3 机翼展开后无人机数学建模24-31
• 2.3.1 重力模型25-26
• 2.3.2 发动机推力模型26
• 2.3.3 火箭推力模型26-27
• 2.3.4 气动力及力矩模型27-28
• 2.3.5 无人机动力学和运动学模型28-30
• 2.3.6 基于Matlab/S-Function建立无人机非线性数学模型30-31
• 2.4 无人机数学模型线性化31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 发射过程影响因素分析35-58
• 3.1 引言35
• 3.2 无人机发射过程分析35-36
• 3.3 机体固有影响因素36-40
• 3.3.1 无人机气动焦点和重心位置37
• 3.3.2 折叠机翼展开时间37-39
• 3.3.3 机体发射角39-40
• 3.3.4 闭锁力40
• 3.4 火箭助推器影响因素40-47
• 3.4.1 火箭安装角40-42
• 3.4.2 双发火箭作用点相对位置42-46
• 3.4.3 其他安装参数46-47
• 3.5 发射装置影响因素47-50
• 3.5.1 螺旋桨发动机反扭矩47
• 3.5.2 发动机离合时间47-50
• 3.6 外界侧风干扰影响因素50-56
• 3.7 本章小结56-58
• 第四章 发射过程控制系统设计58-77
• 4.1 引言58
• 4.2 基于PID的控制器设计58-65
• 4.2.1 PID控制结构设计58-60
• 4.2.2 PID控制律设计60-63
• 4.2.3 PID控制参数整定63-65
• 4.3 基于自适应控制的姿态内回路设计65-71
• 4.3.1 实际模型和参考模型确定66
• 4.3.2 自适应控制律设计66-71
• 4.4 PID和自适应控制结果分析71-76
• 4.4.1 PID控制系统高度跟踪仿真71-72
• 4.4.2 PID控制系统横侧向航迹跟踪仿真72-74
• 4.4.3 自适应姿态控制系统仿真74-75
• 4.4.4 PID与自适应姿态控制系统仿真对比75-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 发射过程仿真系统设计77-89
• 5.1 引言77-78
• 5.2 无人机仿真系统设计78-86
• 5.2.1 无人机系统仿真模型设计78-80
• 5.2.2 无人机系统飞行界面设计80-86
• 5.3 仿真结果分析86-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第六章 总结与展望89-91
• 6.1 本文工作总结89-90
• 6.2 后续工作展望90-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-96
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 崔二巍;于存贵;靳青梅;李猛;;闭锁力对火箭弹发射的影响研究[J];机械制造与自动化;2015年01期

2 张洋;谭健美;朱家强;;美国空军未来25年无人机系统路线图解析[J];飞航导弹;2015年01期

3 易礼毅;张红英;秦福德;李方;童明波;;大型装备投放分离过程流场计算分析[J];航空计算技术;2014年03期

4 马威;马大为;胡智琦;庄文许;王新春;;火箭助推无人机起飞段发射动力学建模与分析[J];机械与电子;2013年12期

5 田新锋;郑成军;;某无人机火箭助推起飞参数计算[J];兵工自动化;2013年05期

6 张欣;严俊;吴雪松;;电子战无人机航电系统及其发展[J];航空电子技术;2012年02期

7 廖波;袁昌盛;李永泽;;折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究[J];机械设计;2012年04期

8 田新锋;薛鹏;李红泉;;某无人机火箭助推发射研究[J];宇航计测技术;2012年02期

9 李浩;肖前贵;胡寿松;;火箭助推无人机起飞发射段建模与仿真[J];东南大学学报(自然科学版);2010年S1期

10 何庆;刘东升;于存贵;张丽静;;无人机发射技术[J];飞航导弹;2010年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 刘玉宝;无人机发射段控制律设计[D];南京航空航天大学;2009年

2 张勇;航天器模拟试验系统设计与研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

3 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

4 何芝强;PID控制器参数整定方法及其应用研究[D];浙江大学;2005年

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本文编号：668780