涵道共轴旋翼飞行器建模与验证

发布时间：2017-10-05 15:26

  本文关键词：涵道共轴旋翼飞行器建模与验证

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【摘要】：由于出色的悬停和低速飞行性能,旋翼飞行器一直是航空领域研究的热点,然而出于力矩配平的需求,传统旋翼飞行器的尺寸往往很大。近年来,逐渐兴起的涵道共轴旋翼飞行器既具备旋翼飞行器的低速性能,又在尺寸上得到了精简,因此吸引了很多研究者的目光。本文研究对象就是某型涵道共轴飞行器的验证机,主要工作就是对其进行建模和模型验证。首先,使用传统的滑流和叶素理论,并综合实验方法,建立涵道共轴飞行器的飞行动力学模型,完成了Matlab/Simulink飞行动力学仿真模型的构建,通过配平和线化处理得到了相关状态下的小扰动线化模型,进行了飞行控制律设计以及经典科目仿真飞行。其次,针对飞行器实验平台进行了飞行控制系统设计。飞行控制系统包括了航电设备、飞控软件和地面站系统。在模型估算结果基础上,根据功率需求选取了电机、电调以及电源等设备,依据飞控系统对传感器设备数据精度要求选取了IMU、GPS、高度计等传感器设备。飞控计算机为自制产品,以STM32微型嵌入式处理器为核心,飞控程序以PID算法为基础,设计了增稳控制回路和姿态控制回路,实现了验证机稳定的飞行控制。地面站系统以地面监控软件为核心,利用通信设备实现了与空中飞行器平台之间的地空数据交换,地面监控软件涉及信息监视与指令操控两部分,软件采用C#语言编写,以模块化编程设计思想实现了数据记录、数据显示、图像记录显示、电子地图、控制参数调试、指令发送等功能。接着,进行了飞控系统测试和飞控参数整定试验。通过静态调试、系留试验和试飞实验层层递进的调试方法,完成了飞控系统功能测试和飞控参数整定。对飞控系统硬件、软件进行全方位测试同时,得到了可使飞行器稳定飞行的控制参数。用硬系留、软系留和不系留三级试验调试办法完成了通道控制参数的整定,有效避免了飞行器平台在试验过程中可能出现的飞行不稳定,极大减少了试验事故的发生。最后,在飞行数据采集、分析处理基础上,完成飞行动力学模型的验证。对模型进行了配平验证、控制参数验证和仿真飞行验证。验证结果表明,模型具有很高精度。
【关键词】：飞行动力学建模 飞行控制 参数整定 飞行仿真 模型验证
【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】：2015
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 研究背景15
• 1.2 研究目的15-16
• 1.3 国内外研究现状16-17
• 1.4 本文核心和主要工作17-18
• 1.5 本文章节安排18-19
• 第二章 飞行动力学建模19-34
• 2.1 旋翼飞行器运动方程19-22
• 2.1.1 飞行器参数19
• 2.1.2 坐标系19-20
• 2.1.3 质心移动动力学方程20-21
• 2.1.4 绕质心转动动力学方程21
• 2.1.5 补充方程21-22
• 2.2 共轴旋翼模型22-29
• 2.2.1 上旋翼模型22-28
• 2.2.2 下旋翼模型28-29
• 2.3 涵道（机身）模型29-30
• 2.3.1 涵道影响概述29
• 2.3.2 涵道模型29-30
• 2.4 诱导入流模型30-32
• 2.4.1 均匀入流模型30-31
• 2.4.2 动态入流模型31-32
• 2.4.3 本文用入流模型32
• 2.5 飞行动力学方程组32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 模型控制设计与仿真34-46
• 3.1 模型线性化34-37
• 3.1.1 配平计算34-35
• 3.1.2 模型线性化35-36
• 3.1.3 线性模型分析36-37
• 3.2 模型控制系统设计37-41
• 3.2.1 模型稳定性分析37-38
• 3.2.2 控制算法38-40
• 3.2.3 控制参数整定40-41
• 3.3 科目仿真41-45
• 3.3.1 直线飞行41-42
• 3.3.2 障碍滑雪42-44
• 3.3.3 向心回转44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 飞行器系统构成46-57
• 4.1 涵道共轴飞行器平台46-50
• 4.1.1 飞行器平台46-47
• 4.1.2 动力系统47-49
• 4.1.3 传感器49
• 4.1.4 飞控计算机49-50
• 4.1.5 操纵机构50
• 4.2 控制系统设计50-52
• 4.2.1 飞控程序的整体构架50-51
• 4.2.2 数据处理51-52
• 4.2.3 飞控算法52
• 4.2.4 操纵方式52
• 4.3 地面控制站系统52-56
• 4.3.1 地面站系统总体构架52-54
• 4.3.2 用户软件设计概要54-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 飞行器平台调试57-64
• 5.1 静态测试57
• 5.2 系留调试57-58
• 5.2.1 硬系留调参57-58
• 5.2.2 软系留调参58
• 5.2.3 不系留调参58
• 5.3 试飞调参58
• 5.4 调参试验与分析58-63
• 5.4.1 俯仰通道58-60
• 5.4.2 滚转通道60-62
• 5.4.3 航向通道62-63
• 5.4.4 高度通道63
• 5.5 本章小结63-64
• 第六章 模型验证64-72
• 6.1 试飞试验64
• 6.1.1 悬停64
• 6.1.2 直线飞行64
• 6.1.3 爬升飞行64
• 6.1.4 回转飞行64
• 6.2 配平验证64-68
• 6.2.1 配平计算64-65
• 6.2.2 实验数据65-66
• 6.2.3 对比验证66-68
• 6.3 控制参数验证68
• 6.4 飞行仿真验证68-71
• 6.4.1 验证方法概述68
• 6.4.2 仿真验证68-70
• 6.4.3 仿真验证结论70-71
• 6.5 本章小结71-72
• 第七章 工作总结与展望72-74
• 7.1 研究工作总结72-73
• 7.2 工作展望73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文78-79
• 附录79

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 章勇;倾转涵道无人机总体设计与研究[D];南昌航空大学;2012年

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本文编号：977555