无人直升机自动起降控制技术研究

发布时间：2017-09-28 05:12

  本文关键词：无人直升机自动起降控制技术研究

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【摘要】：自动起降是无人直升机重要的飞行功能之一,也是任务完成的关键阶段。常规起降控制策略满足了基本的起降要求,但在复杂的外界环境下其适应能力较差。本文针对样例无人直升机在自动起降控制中几个亟需解决的问题,提出了改进方案。首先,对起降阶段无人直升机本身的气动特性进行了详细的分析,阐明了影响起降性能的主要因素是外部环境因素,而非无人直升机悬停时的空气动力学特性,为后续控制律的设计奠定基础;分析了常规高度控制方案的控制性能不足,提出了改进高度控制方案,并揭示该控制结构的内在机理,非线性仿真结果表明在诸多不确定性环境因素扰动下改进方案的控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好。其次,从无人直升机工程实际出发,根据功率法和涡环理论设计了起降过程中高度变化率的合理范围,将改进高度控制律应用到自动起降环节;结合悬停状态的位置和航向控制方案,制定了完整的自动起降阶段控制策略;针对近地着陆时传感器死区特性,提出了两种不同的总距通道控制方案,从原理上分析其可行性并进行了验证。最后,为了充分快速地验证自动起降控制性能,搭建了基于RotorLib非线性六自由度等效仿真验证环境。针对起降阶段的特殊性,设计了典型案例进行非线性仿真验证,结果表明本文所设计的自动起降控制律具有较好的控制效果和自适应能力,提高了样例无人直升机的飞行控制品质,满足工程应用的需求,适合于样例无人直升机使用。
【关键词】：无人直升机 自动起降 高度控制 涡环理论 等效仿真
【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;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 注释表14-15
• 缩略词15-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 引言16
• 1.2 无人直升机典型飞行过程16-19
• 1.2.1 自动起飞过程17-18
• 1.2.2 自动着陆过程18-19
• 1.3 研究背景19-24
• 1.3.1 国内外研究现状19-20
• 1.3.2 课题组研究现状20-24
• 1.4 论文章节安排24-26
• 第二章 起降特性分析26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 无人直升机运动方程26-30
• 2.2.1 无人直升机全量运动方程26-27
• 2.2.2 无人直升机小扰动线性化方程27-30
• 2.2.3 频率特性分析30
• 2.3 起飞质量对起降的影响30-34
• 2.3.1 起飞质量不确定性对运动模态的影响31-32
• 2.3.2 起飞质量不确定性对配平的影响32-34
• 2.4 场高对起降的影响34-37
• 2.4.1 场高对运动模态的影响34-35
• 2.4.2 场高对配平的影响35-37
• 2.5 地面效应对起降的影响37-39
• 2.6 发动机转速对起降的影响39-40
• 2.6.1 转速对旋翼升力的影响39-40
• 2.6.2 转速对反扭矩的影响40
• 2.7 本章小结40-42
• 第三章 高度通道控制律设计42-59
• 3.1 引言42
• 3.2 常规高度控制律性能分析42-48
• 3.2.1 常规高度控制结构42-43
• 3.2.2 起飞质量不确定性的影响43-44
• 3.2.3 场高的影响44-45
• 3.2.4 风扰动的影响45-46
• 3.2.5 发动机转速波动影响46-48
• 3.2.6 常规高度控制律性能分析小结48
• 3.3 改进高度控制律设计48-53
• 3.3.1 升降速度控制回路设计48-52
• 3.3.2 高度控制回路设计52-53
• 3.4 控制律对比分析53-55
• 3.4.1 时域分析53-54
• 3.4.2 频域分析54-55
• 3.5 非线性仿真分析55-58
• 3.5.1 起飞质量不确定下改进高度控制性能分析55
• 3.5.2 垂向风扰动下改进高度控制性能分析55-57
• 3.5.3 转速波动下改进高度控制性能分析57-58
• 3.6 本章小结58-59
• 第四章 自动起飞控制策略设计59-75
• 4.1 引言59
• 4.2 常规自动起飞控制方案59-60
• 4.3 改进自动起飞控制方案60-66
• 4.3.1 爬升速度设计60-63
• 4.3.2 总距通道控制律63-64
• 4.3.3 纵横向通道控制律64-65
• 4.3.4 尾桨通道控制律65-66
• 4.4 自动起飞控制性能分析66-74
• 4.4.1 风扰动66-69
• 4.4.2 重心偏移69-71
• 4.4.3 起飞海拔71
• 4.4.4 转速波动71-72
• 4.4.5 自动起飞综合仿真72-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 自动着陆控制策略设计75-86
• 5.1 引言75
• 5.2 着陆涡环状态分析75-77
• 5.2.1 垂直下降涡环状态特性75-76
• 5.2.2 涡环判据76
• 5.2.3 垂直下降速度计算76-77
• 5.3 自动着陆控制方案77-82
• 5.3.1 定转速变总距着陆方案78-80
• 5.3.2 定总距变转速着陆方案80-82
• 5.3.3 其它通道控制方案82
• 5.4 自动着陆控制性能分析82-84
• 5.5 本章小结84-86
• 第六章 综合仿真验证86-96
• 6.1 引言86
• 6.2 等效仿真环境开发86-91
• 6.2.1 等效仿真概述86
• 6.2.2 等效仿真总体框架86-87
• 6.2.3 样例无人直升机非线性动力学模型87-89
• 6.2.4 等效飞控软件开发89-91
• 6.3 综合仿真验证91-93
• 6.3.1 综合仿真方案91-92
• 6.3.2 全过程仿真结果92-93
• 6.4 科研试飞验证93-95
• 6.4.1 自动起飞试飞验证93-94
• 6.4.2 自动着陆试飞验证94-95
• 6.5 本章小结95-96
• 第七章 总结与展望96-98
• 7.1 本文主要研究内容96-97
• 7.2 后续工作展望97-98
• 参考文献98-102
• 致谢102-103
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文103

【参考文献】

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本文编号：933959