碟型涵道式無人機總體設(shè)計及飛行控制系統(tǒng)理論與仿真研究.pdf

1、碟型涵道式無人機采用涵道風(fēng)扇作為主要的升力系統(tǒng),具有垂直起降與懸停特點,與傳統(tǒng)的無人機相比,在氣動布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及飛行控制等方面均存在較多的問題。這種構(gòu)型的飛行器穩(wěn)定性比較差,需依靠飛控系統(tǒng)來解決。
　　本文主要對碟型涵道式無人機特殊的氣動外形,對其設(shè)計過程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的理論與仿真研究,重點進(jìn)行了飛控系統(tǒng)的魯棒控制理論的應(yīng)用研究,探索了相應(yīng)的混合魯棒控制方法,并將此方法應(yīng)用到碟型涵道式無人機飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)

2、中。具體的研究內(nèi)容主要包括:
　　1、在綜合參考了國內(nèi)外涵道式無人機總體構(gòu)型以及設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上,對碟型涵道式無人機進(jìn)行總體設(shè)計。確定了碟型涵道式無人機采用單旋翼加三組控制舵片,外加涵道環(huán)括的結(jié)構(gòu)形式。其主要的飛行動力由涵道風(fēng)扇提供,目前,涵道風(fēng)扇的氣動設(shè)計理論尚不完善,本文結(jié)合滑流理論、葉素理論和渦流理論建立了涵道風(fēng)扇的計算模型、機體各部件的氣動模型,以及懸停與前飛的氣動模型并進(jìn)行了飛行性能分析。本文建立的氣動模型有助于解決涵道

3、式無人機低雷諾數(shù)導(dǎo)致其氣動特性復(fù)雜性的問題,彌補涵道風(fēng)扇氣動設(shè)計上的缺陷,為碟型涵道式無人機總體設(shè)計打下了基礎(chǔ)。
　　2、建立了整機飛行動力學(xué)模型和姿態(tài)運動模型,應(yīng)用小擾動原理在懸停狀態(tài)下對飛行動力學(xué)模型進(jìn)行了線性化解耦,得到了易于分析的線性模型。由于碟型涵道式無人機構(gòu)型特殊、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小,導(dǎo)致它極易受到各種環(huán)境的干擾。同時其獨特的氣動外形使得氣動參數(shù)呈非線性強耦合性等特點。上述特點給碟型涵道式無人機飛控系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大的

4、難度,本文針對碟型涵道式無人機的上述特點建立了動力學(xué)模型,對飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計起到關(guān)鍵性的作用,為設(shè)計魯棒控制器奠定了基礎(chǔ),具有一定的理論價值和實用價值。
　　3、針對碟型涵道式無人機獨特的氣動外形,要求它的控制器必須十分穩(wěn)健以便能免承受側(cè)風(fēng)等眾多不確性因素的干擾。用線性矩陣不等式LMI的方法研究了混合多目標(biāo)H2/H∞魯棒控制問題,設(shè)計了H2/H∞魯棒控制器。最后通過仿真驗證,H2/H∞魯棒控制器能有效解決飛行控制多種性能指標(biāo)的混

5、合控制問題,具有很好的魯棒穩(wěn)定性和令人滿意的動態(tài)性能,提高飛行器的抗干擾性和可操縱性。
　　4、將混合的PID/H∞魯棒控制的設(shè)計方法應(yīng)用在碟型涵道式無人機飛控系統(tǒng)中。內(nèi)回路采用具有二次穩(wěn)定的H∞魯棒控制器,飛機模型則采用區(qū)間模型描述,外回路利用PID控制的設(shè)計方案,保證了被控對象參數(shù)攝動情況下系統(tǒng)穩(wěn)定并且有一定的動態(tài)性能。該設(shè)計方法解決了系統(tǒng)矩陣和控制矩陣參數(shù)不確定性同時存在時的控制問題。通過仿真分析,發(fā)現(xiàn)在混合尸PID/H∞魯

6、棒控制器作用下,系統(tǒng)能夠很好的跟蹤姿態(tài)指令,說明該控制器具有很強的魯棒性,并且可以看出此時系統(tǒng)對噪聲干擾具有很好的抑制效果。
　　5、在Vi sualC++開發(fā)平臺下,利用Simulink和FlightGear開發(fā)了一個虛擬現(xiàn)實的飛行仿真系統(tǒng),采用Simulink進(jìn)行了模塊化設(shè)計,在Matlab中進(jìn)行串行通信。無人機的三維實景仿真采用局域網(wǎng)通信和數(shù)學(xué)仿真模塊通信,以獲得無人機的數(shù)學(xué)仿真數(shù)據(jù)。自動駕駛儀根據(jù)一定算法,完成一定的動作后

7、,發(fā)出舵機控制指令,作為反饋信號傳回給Simulink模型,從而使飛行姿態(tài)改變。實踐證明可視化仿真技術(shù)應(yīng)用在飛控系統(tǒng)中,可對飛機飛行過程中的各種特性進(jìn)行仿真,使系統(tǒng)的本質(zhì)特性通過虛擬樣機逼真地表現(xiàn)出來。從實時仿真結(jié)果來看,實時性滿足要求,與純數(shù)字仿真結(jié)果基本一致,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精確性和可靠性。
　　綜上所述,本文對碟型涵道式無人機總體設(shè)計與控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行了深入的研究,針對碟型涵道式無人機特殊的結(jié)構(gòu)外形,在飛行過程中易受各種不