倾转旋翼无人机飞行控制研究

发布时间：2017-09-04 04:38

  本文关键词：倾转旋翼无人机飞行控制研究

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【摘要】：倾转旋翼无人机是一种新型的无人机,它具有固定翼飞机和直升机的飞行特点。直升机模式时由旋翼提供升力,可进行悬停和低速飞行;旋翼短舱倾转到水平位置后,旋翼提供前向拉力而依靠机翼提供升力,变成固定翼飞机以实现高速飞行。本文以倾转旋翼无人机为研究对象,将通过建立无人机飞行力学模型研究其在直升机模式、过渡模式、固定翼模式的飞行动力学特性,在此基础上进行控制系统设计并进行数学仿真研究。具体的完成的工作如下:(1)采用部件法分别研究了飞行器各部件的气动力、力矩计算模型,并考虑了旋翼-机翼的气动干扰,建立了倾转旋翼无人机飞行力学模型,在Matlab/Simulink环境下建立了无人机运动仿真模型,用于配平分析和控制系统仿真。(2)分析了倾转旋翼无人机的运动特性,包括静态配平特性和动态扰动运动特性。分别研究了无人机在直升机模式、过渡模式、固定翼模式下平飞时的静态纵向配平,分析其飞行操纵规律,并基于此探讨了倾转旋翼无人机的过渡转换路径。对倾转旋翼无人机的旋翼和舵面两套操纵系统在过渡转换过程中的操纵效率进行了分析,设计了操纵策略。在过渡飞行过程中选取了若干特征点,在特征点处基于小扰动假设,建立了线性化状态方程,使用特征根分析等手段,分别研究无人机在倾转过渡过程中的扰动运动特性。(3)设计了倾转旋翼无人机飞行控制系统,纵向通道包括俯仰角保持与控制系统、速度控制系统、垂直速度控制系统、高度保持与控制系统,横向通道包括滚转角控制系统、侧滑角控制系统、航向控制系统。控制系统结构和回路参数设计方法采用基于经典控制理论的根轨迹分析、频域响应分析等手段。(4)在Matlab/Simulink仿真环境下,进行了六自由度运动方程的数值仿真,在阵风干扰下进行姿态控制与保持、爬升飞行、高度保持、加速飞行、航向变换等,检验建立的数学模型及所设计的控制器的合理性。
【关键词】：倾转旋翼 飞行力学 飞行控制 Simulink仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究目的与意义10-11
• 1.2 研究背景11-15
• 1.2.1 倾转旋翼飞行器发展历程11-13
• 1.2.2 倾转旋翼飞行器飞行控制研究现状13-15
• 1.3 本文研究内容与研究方法15-17
• 第2章 倾转旋翼无人机飞行力学建模17-33
• 2.1 引言17
• 2.2 描述机体运动的坐标系17-18
• 2.3 倾转旋翼无人机气动计算18-27
• 2.3.1 简化假设18
• 2.3.2 机翼气动力和力矩18-21
• 2.3.3 旋翼气动力和力矩21-24
• 2.3.4 尾翼气动力和力矩24-25
• 2.3.5 机身气动力和力矩25-26
• 2.3.6 全机气动力和力矩综合26-27
• 2.4 倾转旋翼无人机操纵系统27-29
• 2.5 倾转旋翼无人机六自由度运动模型29-32
• 2.5.1 建模基本假设29
• 2.5.2 动力学方程29
• 2.5.3 运动学方程29-30
• 2.5.4 Matlab仿真模型30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 倾转旋翼无人机运动特性分析33-42
• 3.1 引言33
• 3.2 配平分析33-34
• 3.3 过渡转换方案34-35
• 3.4 倾转旋翼无人机扰动运动特性分析35-41
• 3.4.1 运动方程线性化处理35-37
• 3.4.2 纵向扰动运动特性分析37-39
• 3.4.3 横向扰动运动特性分析39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 倾转旋翼无人机飞行控制系统设计42-62
• 4.1 引言42-43
• 4.2 纵向俯仰角控制系统设计43-46
• 4.3 纵向垂直速度控制系统设计46-48
• 4.4 纵向高度控制系统设计48-50
• 4.5 纵向速度控制系统设计50-53
• 4.6 横向滚转角控制系统设计53-56
• 4.7 横向侧滑角控制系统设计56-59
• 4.8 横向航向控制系统设计59-61
• 4.9 本章小结61-62
• 第5章 倾转旋翼无人机飞行控制系统数学仿真62-73
• 5.1 引言62-63
• 5.2 纵向控制系统数学仿真63-69
• 5.2.1 俯仰角控制系统仿真63-65
• 5.2.2 垂直速度控制系统仿真65-67
• 5.2.3 高度保持控制系统仿真67-68
• 5.2.4 速度控制系统仿真68-69
• 5.3 横向控制系统数学仿真69-72
• 5.3.1 滚转角控制系统仿真69-71
• 5.3.2 航向控制系统仿真71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 总结与展望73-75
• 1．工作总结73-74
• 2．工作展望74-75
• 参考文献75-78
• 附录A 各部件气动计算仿真框图78-83
• 附录B 气动参数83-89
• B1 机翼83-85
• B2 水平尾翼85-86
• B3 垂直尾翼86-87
• B4 旋翼87-88
• B5 机身88-89
• 在学期间的研究成果和发表的学术论文89-90
• 致谢90

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本文编号：789411