四旋翼无人机多变量非线性鲁棒控制方法研究

发布时间：2017-09-20 07:12

  本文关键词：四旋翼无人机多变量非线性鲁棒控制方法研究

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【摘要】：四旋翼无人机是一种结构简单且造价低廉的飞行器,在军事、工业、教育和消费领域具有广泛的用途。目前,多数四旋翼控制器是在PID控制器模型的基础上通过仿真和试验的方法调节其参数获得。因此,本文致力于从理论层面出发,建立四旋翼执行机构和机体的模型,并推导出控制器。首先,本文介绍了螺旋翼的升力原理和模型、基于格子玻尔兹曼仿真方法和螺旋翼试验方法。分析了模型的准确性和仿真方法的适用性。分析了具有不同叶片数量,但叶形相同的螺旋翼之间的空气动力学性能,并提出了螺旋翼模型的改进模型。其次,引入了传统直流电动机的数学模型,并推导出了PWM波的占空比与转速之间关系。提出了直流电动机中关键参数的计算方法。然后,根据理论力学方法推导出了多旋翼无人机的动力学模型;根据非线性控制理论讨论了多旋翼无人机的能控性。计算了本文所使用的四旋翼无人机的转动惯量。考虑到实际飞行情况,将非线性方程简化为线性方程。最后,根据四旋翼的动力学方程和飞行特点设计了内环控制器和外环控制器,并根据实际情况分配各个控制环节的控制量。应用H∞控制理论计算出了相应的控制器,并且通过了试验验证。
【关键词】：螺旋翼 格子Boltzmann 直流电动机 四旋翼 H∞控制
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 1 引言7-16
• 1.1 课题背景7-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 四旋翼无人机国外发展现状和趋势11-14
• 1.2.2 四旋翼无人机国内发展现状和趋势14-15
• 1.3 课题研究内容及意义15
• 1.4 论文结构15-16
• 2 螺旋翼气动特性16-37
• 2.1 螺旋翼及其工作原理16-18
• 2.1.1 螺旋翼概念及几何参数16-17
• 2.1.2 螺旋翼的工作原理17-18
• 2.1.3 螺旋翼周围流场特性18
• 2.2 螺旋翼气动特性分析方法18-22
• 2.2.1 螺旋翼结构信息获取18-20
• 2.2.2 螺旋翼多叶片构造20
• 2.2.3 计算流体力学方法20-22
• 2.3 螺旋翼（2 个叶片）气动分析实例22-27
• 2.3.1 仿真参数设定23
• 2.3.2 螺旋翼周围流体压强仿真结果23-24
• 2.3.3 螺旋翼周围流体涡流仿真结果24
• 2.3.4 螺旋翼周围流体速度仿真结果24-26
• 2.3.5 螺旋翼升力仿真结果26-27
• 2.4 螺旋翼（2 个叶片）试验验证27-30
• 2.4.1 试验方法概述27
• 2.4.2 试验原理27-28
• 2.4.3 试验流程和结果28-30
• 2.5 螺旋翼（32 个叶片）气动仿真分析30-35
• 2.5.1 螺旋翼（32 个叶片）气动仿真结果30-31
• 2.5.2 单个叶片升力减小原因探究31-35
• 2.6 本章小结35-37
• 3 直流电动机工作特性37-57
• 3.1 直流电动机及其工作原理37-40
• 3.1.1 直流电动机的组成37
• 3.1.2 直流电动机的工作原理37-39
• 3.1.3 直流无刷电动机的工作原理39-40
• 3.2 直流电动机的控制方法40-42
• 3.2.1 直流电动机的转速控制方法介绍40-41
• 3.2.2 PWM控制41-42
• 3.3 直流电动机建模42-47
• 3.3.1 直流电动机模型及稳定性42-44
• 3.3.2 PWM控制及稳定性44-47
• 3.4 直流电动机试验和仿真47-56
• 3.4.1 试验方法概述47-48
• 3.4.2 试验数据及分析48-50
• 3.4.3 电动机参数计算50-51
• 3.4.4 模型验证51-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 四旋翼无人机57-73
• 4.1 多旋翼无人机及其工作原理57-59
• 4.1.1 多旋翼的组成57-58
• 4.1.2 四旋翼无人机工作原理58-59
• 4.2 四旋翼机身参数59-62
• 4.2.1 四旋翼结构参数59-61
• 4.2.2 四旋翼姿态位置参数61-62
• 4.3 四旋翼模型62-72
• 4.3.1 多旋翼模型62-64
• 4.3.2 多旋翼无人机能控条件64-68
• 4.3.3 四旋翼模型68-72
• 4.4 本章小结72-73
• 5 四旋翼无人机H_∞控制器设计73-100
• 5.1 旋翼无人机控制器设计73-74
• 5.1.1 四旋翼无人机控制器概要73
• 5.1.2 内环控制回路73-74
• 5.1.3 外环控制器74
• 5.2 旋翼无人机状态方程74-77
• 5.2.1 旋翼系统内环状态方程75-76
• 5.2.2 旋翼系统外环状态方程76-77
• 5.3 H_∞控制器设计77-95
• 5.3.1 控制量限定77-78
• 5.3.2 姿态传递函数矩阵及解耦78-79
• 5.3.3 俯仰、横滚H_∞控制器79-88
• 5.3.4 航向角H_∞控制器88-91
• 5.3.5 高度H_∞控制器91-93
• 5.3.6 外环控制器93-95
• 5.4 试验95-99
• 5.4.1 试验设备96
• 5.4.2 飞行试验96-99
• 5.5 本章小结99-100
• 结论100-101
• 参考文献101-104
• 攻读硕士期间取得的学术成果104-105
• 致谢105-108

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 齐书浩;刘素娟;张文明;肖心想;;低雷诺数下微型四旋翼飞行器气动和振动特性分析[J];噪声与振动控制;2013年05期

2 翟旭军;赵凯;;格子Boltzmann守恒型非平衡态的外推边界[J];计算物理;2012年03期

3 夏长亮;方红伟;;永磁无刷直流电机及其控制[J];电工技术学报;2012年03期

4 陈文轩;;旋翼流场流动机理研究[J];直升机技术;2011年02期

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本文编号：886626