弹射式变掠角串置翼飞行机器人设计及控制方法研究
发布时间：2023-12-02 08:55
弹射折叠翼飞行机器人可实现巡航、侦查、打击功能一体,但是折叠方案会使其结构变得复杂,限制控制舵面效力。变形技术不仅能够改变飞行器的气动特性,适应复杂多变的任务环境,还能提高其控制效率和机动性。本文提出了一款新型弹射式变掠角串置翼飞行机器人,结合了变掠角技术和弹射折叠翼飞行机器人技术,具有4个掠角可变的机翼,不仅能够通过掠角变形替代升降舵和副翼控制飞行姿态,而且能够利用变形实现多任务飞行。本文主要从结构布局以及非定常气动特性、动力学建模、轨迹跟踪与姿态镇定、飞行模式切换稳定控制角度进行研究,并进行相关实验验证。变掠角串置翼飞行机器人采用串置翼布局,不仅能够提升载荷和控制效力,通过合理分配四个机翼掠角变形量还能够降低变形引起的横向和纵向运动耦合。设计了飞行机器人基本结构以及相应的弹射器,研究了两种用于提升机敏性的电机推进系统。针对不同垂直翼间距的机翼布局方案,利用CFD方法分析其气动特性优劣,选用了更合适的机翼布局。由于飞行机器人弹射展开过程会引起其周围流场剧烈变化,在Fluent中利用动网格方法研究了展开过程的非定常气动力变化规律,为后续飞行机器人控制设计和实验研究提供了依据。变掠角串置...
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 弹射折叠翼飞行机器人研究现状及分析
1.2.1 弹射折叠翼飞行机器人研究现状
1.2.2 弹射折叠翼飞行机器人发展综述
1.3 飞行器变形技术概况及研究现状
1.3.1 飞行器变形技术概况
1.3.2 变形无人飞行器研究现状
1.4 弹射变形飞行机器人关键技术研究进展
1.4.1 飞行机器人弹射技术研究进展
1.4.2 变形飞行机器人气动问题研究进展
1.4.3 变形飞行机器人动力学研究进展
1.4.4 变形飞行机器人控制技术研究进展
1.5 弹射变掠角串置翼飞行机器人研究的关键问题
1.6 本文的主要研究内容
第2章 弹射式变掠角串置翼飞行机器人设计与气动特性分析
2.1 引言
2.2 弹射变掠角串置翼飞行机器人设计
2.2.1 变掠角串置翼飞行机器人构型
2.2.2 推进系统设计与分析
2.2.3 弹射系统分析与设计
2.3 基于CFD的气动仿真模型建立
2.3.1 控制方程
2.3.2 湍流模型
2.3.3 计算域的网格划分
2.3.4 数值计算结果检验
2.4 两种机翼布局的定常气动特性对比分析
2.4.1 两种机翼布局的结构参数
2.4.2 气动仿真结果分析
2.5 机翼变形展开过程的非定常气动特性研究
2.5.1 非定常气动特性分析
2.5.2 非定常气动特性形成机理研究
2.5.3 折叠状态和展开状态弹射过程气动力对比
2.6 本章小结
第3章 变掠角串置翼飞行机器人动力学建模及分析
3.1 引言
3.2 变掠角串置翼飞行机器人基本描述
3.2.1 常用坐标系定义及转换关系
3.2.2 飞行机器人的运动参数及变形规划
3.2.3 作用在飞行机器人上的气动力和力矩
3.3 飞行机器人Kane动力学模型建立
3.3.1 广义坐标和广义速率
3.3.2 子刚体的偏速度和偏角速度
3.3.3 系统广义主动力和广义惯性力
3.3.4 模型建立
3.4 纵向动力学分析
3.4.1 模型简化
3.4.2 对称变形动态响应分析
3.4.3 对称变形与升降舵控制效应对比
3.5 横侧向动力学分析
3.5.1 模型简化
3.5.2 不对称变形动态响应分析
3.5.3 不对称掠角变形与副翼控制效应对比
3.6 本章小结
第4章 变掠角串置翼飞行机器人的轨迹跟踪与姿态镇定
4.1 引言
4.2 滑模变结构控制原理
4.3 纵向运动的自适应滑模控制器设计
4.3.1 变形飞行机器人纵向运动控制模型分析
4.3.2 基于全局渐进稳定的外环控制律设计
4.3.3 纵向系统内环自适应滑模控制律设计
4.3.4 闭环系统稳定性分析
4.4 横向运动的滑模控制器设计
4.4.1 变形飞行机器人横向运动控制模型分析
4.4.2 横向欠驱动系统模型解耦
4.4.3 基于Hurwitz稳定的飞行机器人航向滑模控制律设计及收敛性分析
4.5 仿真及结果分析
4.5.1 纵向运动仿真
4.5.2 横向运动仿真
4.6 本章小结
第5章 基于多胞型系统的飞行机器人模式切换稳定控制
5.1 引言
5.2 飞行机器人模式切换过程多胞LPV模型建立
5.2.1 基于Jacobian线性化的LPV模型建立
5.2.2 平衡状态稳定特性分析
5.2.3 多胞型转换
5.3 基于多胞型形式的增益调度控制器设计
5.3.1 多胞型鲁棒增益调度控制器设计
5.3.2 考虑输入饱和的LQR状态反馈控制器设计
5.4 模式切换过程仿真分析
5.5 本章小结
第6章 弹射变掠角串置翼飞行机器人实验研究
6.1 引言
6.2 飞行机器人实验系统组成
6.2.1 变掠角串置翼飞行机器人本体
6.2.2 飞行机器人电子舱
6.2.3 地面站设备
6.3 飞行机器人基本功能测试实验
6.3.1 飞行机器人变形运动测试
6.3.2 开环动态响应测试
6.3.3 姿态镇定控制演示
6.4 飞行实验
6.4.1 弹射起飞测试
6.4.2 姿态控制测试
6.4.3 轨迹跟踪与姿态镇定控制算法验证
6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3869332
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 弹射折叠翼飞行机器人研究现状及分析
1.2.1 弹射折叠翼飞行机器人研究现状
1.2.2 弹射折叠翼飞行机器人发展综述
1.3 飞行器变形技术概况及研究现状
1.3.1 飞行器变形技术概况
1.3.2 变形无人飞行器研究现状
1.4 弹射变形飞行机器人关键技术研究进展
1.4.1 飞行机器人弹射技术研究进展
1.4.2 变形飞行机器人气动问题研究进展
1.4.3 变形飞行机器人动力学研究进展
1.4.4 变形飞行机器人控制技术研究进展
1.5 弹射变掠角串置翼飞行机器人研究的关键问题
1.6 本文的主要研究内容
第2章 弹射式变掠角串置翼飞行机器人设计与气动特性分析
2.1 引言
2.2 弹射变掠角串置翼飞行机器人设计
2.2.1 变掠角串置翼飞行机器人构型
2.2.2 推进系统设计与分析
2.2.3 弹射系统分析与设计
2.3 基于CFD的气动仿真模型建立
2.3.1 控制方程
2.3.2 湍流模型
2.3.3 计算域的网格划分
2.3.4 数值计算结果检验
2.4 两种机翼布局的定常气动特性对比分析
2.4.1 两种机翼布局的结构参数
2.4.2 气动仿真结果分析
2.5 机翼变形展开过程的非定常气动特性研究
2.5.1 非定常气动特性分析
2.5.2 非定常气动特性形成机理研究
2.5.3 折叠状态和展开状态弹射过程气动力对比
2.6 本章小结
第3章 变掠角串置翼飞行机器人动力学建模及分析
3.1 引言
3.2 变掠角串置翼飞行机器人基本描述
3.2.1 常用坐标系定义及转换关系
3.2.2 飞行机器人的运动参数及变形规划
3.2.3 作用在飞行机器人上的气动力和力矩
3.3 飞行机器人Kane动力学模型建立
3.3.1 广义坐标和广义速率
3.3.2 子刚体的偏速度和偏角速度
3.3.3 系统广义主动力和广义惯性力
3.3.4 模型建立
3.4 纵向动力学分析
3.4.1 模型简化
3.4.2 对称变形动态响应分析
3.4.3 对称变形与升降舵控制效应对比
3.5 横侧向动力学分析
3.5.1 模型简化
3.5.2 不对称变形动态响应分析
3.5.3 不对称掠角变形与副翼控制效应对比
3.6 本章小结
第4章 变掠角串置翼飞行机器人的轨迹跟踪与姿态镇定
4.1 引言
4.2 滑模变结构控制原理
4.3 纵向运动的自适应滑模控制器设计
4.3.1 变形飞行机器人纵向运动控制模型分析
4.3.2 基于全局渐进稳定的外环控制律设计
4.3.3 纵向系统内环自适应滑模控制律设计
4.3.4 闭环系统稳定性分析
4.4 横向运动的滑模控制器设计
4.4.1 变形飞行机器人横向运动控制模型分析
4.4.2 横向欠驱动系统模型解耦
4.4.3 基于Hurwitz稳定的飞行机器人航向滑模控制律设计及收敛性分析
4.5 仿真及结果分析
4.5.1 纵向运动仿真
4.5.2 横向运动仿真
4.6 本章小结
第5章 基于多胞型系统的飞行机器人模式切换稳定控制
5.1 引言
5.2 飞行机器人模式切换过程多胞LPV模型建立
5.2.1 基于Jacobian线性化的LPV模型建立
5.2.2 平衡状态稳定特性分析
5.2.3 多胞型转换
5.3 基于多胞型形式的增益调度控制器设计
5.3.1 多胞型鲁棒增益调度控制器设计
5.3.2 考虑输入饱和的LQR状态反馈控制器设计
5.4 模式切换过程仿真分析
5.5 本章小结
第6章 弹射变掠角串置翼飞行机器人实验研究
6.1 引言
6.2 飞行机器人实验系统组成
6.2.1 变掠角串置翼飞行机器人本体
6.2.2 飞行机器人电子舱
6.2.3 地面站设备
6.3 飞行机器人基本功能测试实验
6.3.1 飞行机器人变形运动测试
6.3.2 开环动态响应测试
6.3.3 姿态镇定控制演示
6.4 飞行实验
6.4.1 弹射起飞测试
6.4.2 姿态控制测试
6.4.3 轨迹跟踪与姿态镇定控制算法验证
6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3869332
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