扑翼飞行器的设计与关键技术研究

发布时间：2023-12-28 18:27

　　随着人工智能的火爆,无人驾驶、物联网、工业大数据等领域迅速发展,掀起了当今社会的变革。作为这场科技潮流中重要一员的四轴旋翼无人机迅速地发展与成熟,证明了人们对于飞行器这一领域的需求。虽然扑翼飞行是经过大自然选择后的完美飞行方式,但由于理论研究不成熟、材料限制、工艺不足和微机电系统出现晚等原因,扑翼飞行器的研究开展较晚。如今扑翼飞行器以高机动灵活性、高可微化、高隐蔽性、速度快、航程远、人机交互更安全等优势迅速走入人们视线中,被众多航空学家称为最具发展前景的飞行器。本课题在充分研究扑翼飞行器的飞行机理、动力学及运动学模型的基础上,分别结合现有经典方法,对其扑动机构、姿态控制和航迹规划等进行设计改进。针对扑翼飞行器两侧翅翼普遍采用对称同步扑动机构导致的灵活性差的问题,采用单电机与双铰链传动进行变频设计,实现一种异步变频扑动机构,左右翅翼可独立调整或纠正拍打频率,实现灵活机动飞行。其次,针对扑翼飞行器在悬停状态下的姿态调节和非线性特性,本文引入了滑模控制,先对传统滑模控制律进行仿真,发现其响应速度慢和延迟性问题,引入双曲正切函数,设计了基于双曲正切函数滑模控制的扑翼飞行器姿态控制。针对系统中不...

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    §1.1 引言
    §1.2 研究背景及意义
        §1.2.1 研究背景
        §1.2.2 研究的目标与意义
    §1.3 飞行器的类别
        §1.3.1 固定翼飞行器
        §1.3.2 旋翼飞行器
        §1.3.3 扑翼飞行器
    §1.4 扑翼飞行器的研究现状
        §1.4.1 国内研究现状
        §1.4.2 国外研究现状
    §1.5 扑翼飞行器研究现状总结与关键问题
    §1.6 本文研究内容与章节安排
    §1.7 本章小结
第二章 扑翼飞行器的运动学与动力学建模
    §2.1 引言
    §2.2 扑翼飞行器的飞行机理研究
    §2.3 坐标系
    §2.4 坐标系之间的转换
    §2.5 运动学与动力学分析
        §2.5.1 机身动力学
        §2.5.2 机身动力矩
        §2.5.3 翅翼气动力
        §2.5.4 翅翼气动力矩
    §2.6 扑翼飞行器的动力学与运动学模型
        §2.6.1 质心运动的动力学和运动学
        §2.6.2 绕质心转动的动力学和运动学
    §2.7 本章小结
第三章 扑翼飞行器的机构设计与运动学分析
    §3.1 扑翼飞行器的扑动机构
        §3.1.1 扑动机构的介绍与设计原则
        §3.1.2 扑翼飞行器的驱动源
        §3.1.3 扑翼飞行器的驱动机构
        §3.1.4 扑翼飞行器的传动机构
    §3.2 扑翼飞行器的扑动机构设计理念
    §3.3 驱动机构的设计
        §3.3.1 角位移推导与建模
        §3.3.2 最小传动角的推导
        §3.3.3 最大扑动幅度
    §3.4 铰链变速传动系统的设计
        §3.4.1 铰链变速传动机构
        §3.4.2 变速调整阶段
    §3.5 扑翼扭转机构的设计
    §3.6 扑翼飞行器扑动机构的仿真实验
        §3.6.1 扑动运动的翅翼位置分析
        §3.6.2 扑翼运动的扑动速度分析
        §3.6.3 扑翼运动的扑动加速度分析
        §3.6.4 扑翼运动的扑动角分析
        §3.6.5 扑翼运动的扑动角速度分析
    §3.7 本章小结
第四章 扑翼飞行器的姿态控制律设计
    §4.1 引言
    §4.2 基于传统滑模控制律的姿态控制
    §4.2 基于双曲正切函数滑模的姿态控制
    §4.3 基于鲁棒反演滑模的姿态控制
    §4.3 基于自适应反演滑模的姿态控制
    §4.3 基于双环滑模的姿态控制
        §4.3.1 总体设计
        §4.3.2 外环滑模控制设计
        §4.3.3 内环滑模控制设计
        §4.3.4 仿真与验证
    §4.5 本章小结
第五章 基于改进A*算法的飞行器航迹规划
    §5.1 引言
    §5.2 环境模型
    §5.3 基本原理
        §5.3.1 A*算法
        §5.3.2 生长算法
    §5.4 飞行器航迹规划
        §5.4.1 未知环境信息的航迹规划
        §5.4.2 已知环境信息下的航迹规划
    §5.5 仿真实验与分析
    §5.6 本章小结
第六章 总结与展望
    §6.1 总结
    §6.2 展望
参考文献
致谢
作者在攻读硕士期间主要研究成果



本文编号：3875952