面向物联网覆盖空洞修复的无人飞艇悬停控制方法研究

发布时间：2017-08-30 17:30

  本文关键词：面向物联网覆盖空洞修复的无人飞艇悬停控制方法研究

  更多相关文章： 物联网 覆盖空洞 无人飞艇 六自由度数学模型 定点悬停控制

【摘要】：在利用物联网进行环境监控时,自然灾害很可能导致大部分节点损坏而造成大规模的覆盖空洞,这可能会引起整个检测网络的瘫痪。而无人飞艇的飞行原理和结构特点使其具有能量消耗低、载重量大、安全性能好,可方便地实现垂直起降、空中悬停和低速飞行等诸多优势,因此可以借助无人飞艇来充当节点对空洞进行临时的覆盖和修复。为了完成这一工作,需要无人飞艇在低空的环境下进行定点悬停,尽可能时刻保持在悬停区域内,因此本文针对小型无人飞艇在低空下的定点悬停控制方法进行了设计和研究。首先,不同于平流层,针对在低空情况下风场较复杂和小型无人飞艇定点悬停的状态特点,通过一些合理的假设,分析了低空飞艇所受的力、力矩和所受到的风力影响,根据牛顿第二定律和动量、动量矩定理等运动定律的原则来建立小型无人飞艇完整的六自由度非线性模型,并将其简化为纵向数学模型,为下文控制方法的设计奠定了基础。然后,针对飞艇充当WSN节点的作用,需要飞艇时刻保持在悬停区域内,为此本文提出了一种简洁、反应快速的小型无人低空飞艇定点悬停控制方法。本文将无人飞艇的定点悬停的控制分为对飞艇的纵向控制和横向控制。纵向控制中,使用简化的纵向数学模型,并在控制中采用双回路的模糊自适应PID控制器。简化了横向控制,先控制飞艇偏航姿态,再控制其推力完成横向位置的保持。最后,使用MATLAB软件的SIMULINK仿真模块建立了飞艇的仿真模型和定点悬停控制模块,对飞艇俯仰姿态角、偏航姿态角、航速、高度控制进行了详细的仿真分析与仿真实验,验证了飞艇模型建立的正确性和控制方法设计的合理性。
【关键词】：物联网 覆盖空洞 无人飞艇 六自由度数学模型 定点悬停控制
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V274;V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题来源和研究目的及研究意义10-11
• 1.2 无人飞艇目前研究现状11-15
• 1.2.1 平流层飞艇的研究现状12-13
• 1.2.2 低空无人飞艇的研究现状13-15
• 1.3 无人飞艇定点悬停控制方法研究存在的问题15
• 1.4 本文主要研究内容及组织结构15-17
• 第2章 基本理论17-25
• 2.1 飞艇的结构简介17-18
• 2.2 飞艇的飞行原理18-19
• 2.2.1 飞艇浮力分析18-19
• 2.2.2 飞艇空气动力分析19
• 2.3 坐标系的定义19-21
• 2.3.1 定义坐标系19-20
• 2.3.2 各坐标系间的关系及其相互转换20-21
• 2.4 低空中的几种阵风模型21-22
• 2.5 常用控制方法原理分析22-24
• 2.5.1 经典PID控制方法22-23
• 2.5.2 飞艇的智能模糊控制23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 无人飞艇数学模型的建立25-38
• 3.1 运动参数的定义25
• 3.2 低空无人飞艇受力分析25-31
• 3.2.1 流体惯性力26-29
• 3.2.2 空气动力29
• 3.2.3 重力与浮力分析29-30
• 3.2.4 推力分析30-31
• 3.2.5 干扰风对低空无人飞艇的影响31
• 3.3 小型低空无人飞艇的运动模型的建立31-35
• 3.3.1 小型低空无人飞艇动力学方程的建立32-34
• 3.3.2 小型低空无人飞艇运动学方程的建立34-35
• 3.4 飞艇的纵向数学模型35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 无人飞艇定点悬停控制方法的设计38-47
• 4.1 模糊自适应PID控制方法38-39
• 4.2 无人飞艇定点悬停控制方法的讨论39-40
• 4.3 无人飞艇的控制方法的设计40-46
• 4.3.1 控制方法的初步讨论40-42
• 4.3.2 无人飞艇高度控制方法的设计42-43
• 4.3.3 无人飞艇偏航角的控制方法的设计43-45
• 4.3.4 无人飞艇的水平位置控制方法的设计45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 无人飞艇定点悬停控制系统仿真47-58
• 5.1 基于MATLAB的无人飞艇仿真模型的建立47-51
• 5.1.1 无人飞艇仿真模型的整体架构47
• 5.1.2 飞艇属性模型仿真模块47-49
• 5.1.3 飞艇的控制器仿真模块49
• 5.1.4 无人飞艇的其他仿真模块49-51
• 5.2 基于MATLAB/SIMULINK的仿真实验51-57
• 5.2.1 无人飞艇俯仰角控制仿真51-52
• 5.2.2 无人飞艇的航速控制仿真52-54
• 5.2.3 无人飞艇偏航角控制仿真54-55
• 5.2.4 无人飞艇的高度控制仿真55-56
• 5.2.5 无人飞艇的水平位置控制仿真56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果64-65
• 致谢65

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