倾转三旋翼无人机设计分析与运动控制技术研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:elongyu999
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
由于固定翼无人机不能垂直起降,多旋翼无人机飞行速度低且效率不高,因此倾转旋翼飞行器得到广泛关注。倾转三旋翼无人机既具有旋翼飞行器垂直起降和易操纵的优点,又具备固定翼飞行器长航时和快速飞行的优点,且相比倾转双旋翼以及倾转四旋翼,在能源利用和稳定性方面具有优势。虽然倾转旋翼无人机拓宽了无人机领域的应用场景,但是旋翼倾转过程中实现其稳定飞行和高度保持一直是难点所在。在倾转过程中,无人机不但受到内部干扰(未建模动力学、非线性耦合和模型参数摄动等)和外部干扰产生的影响,而且还受到特有的旋翼倾转干扰力矩、操纵冗余以及升力转移的影响。为此,本文设计了一种控制稳定性好的倾转三旋翼无人机,重点针对从旋翼转换到固定翼模式的倾转过渡过程进行研究,提出了一套带干扰补偿的飞行稳定和高度保持非线性控制方法。本文的主要工作以及成果总结如下:(1)通过CFD计算方法分析了倾转旋翼与机翼之间的气动干扰,得到了一种倾转三旋翼的旋翼布局方案,减少了悬停状态下机翼对旋翼尾流的阻塞影响,提高了旋翼的气动效率。(2)分析了倾转三旋翼无人机升降、滚转、俯仰以及偏航状态的运动原理;建立了无人机空间运动的六自由度模型;由于无人机升力转移与操纵过渡过程主要在纵向对称平面内完成,将六自由度运动模型简化得到了纵向平面内三自由度运动模型,作为倾转过渡过程控制方案设计的基础;(3)针对无人机俯仰角系统这一类满足广义利普希茨条件的仿射非线性系统,提出了新型干扰估计器估计系统内、外持续扰动。分析了干扰反馈补偿原理,设计了干扰补偿方案,提升了俯仰角系统抗干扰的鲁棒性。该新型干扰估计器还解决了常用的干扰观测器对非光滑信号估计能力弱且大多不适用于多输入多输出系统两个问题,显著扩展了干扰观测器适用范围,提升了估计精度。(4)针对倾转三旋翼无人机俯仰角系统遇到的干扰突变问题,提出了两种带干扰补偿的预测控制器,解决了升降舵短时间内偏转至饱和以及系统输出发生过大超调问题。与传统预测控制算法相比,解决了其主要依靠预测时域长度调节系统性能,造成控制方式单一化问题。(5)针对倾转三旋翼无人机位置系统精确模型难以获得问题,首次将带有曲线路径跟踪功能的平面导航算法引入倾转旋翼无人机倾转过程飞行高度控制中,在无需任何位置模型参数条件下建立了位置系统与姿态系统的联系,简化了高度控制系统设计流程,解决了同类型的算法自适应性不强、可靠性不高、待整定参数数量多且整定过程复杂问题。(6)针对倾转过渡过程中存在的操纵冗余和升力转移问题,分析了操纵面对无人机飞行高度产生的影响,得到了飞行高度变化的根本原因,通过引入了前飞速度控制提出了一套旋翼倾转类无人机通用的操纵输入全自主分配方案,解决了常见的总操纵量半自主或自适应分配方法中存在的权重系数确定困难以及系统不稳定问题。
其他文献
热电材料是一种依靠自身即可实现电能和热能相互转换的新型功能材料。由热电材料制成的器件具有体积小、无传动部件、无噪音、无污染等优点,在太阳能发电,废热回收以及半导体制冷等新能源领域有广阔应用前景。目前,人们对热电材料的研究,主要集中在如何提升材料的能量转换效率上,对热电材料力学问题的关注程度相对不足,极大地限制了热电材料在工程实际中的运用。大多数热电材料都是脆性高而韧性低的半导体材料,其自身的转换性
学位
黑磷(BP)是一种具有直接带隙的二维(2D)材料,其可调的带隙填补了石墨烯和二维过渡金属硫化物(TMDCs)之间的带隙空白,同时黑磷还具有较高的电荷载流子迁移率。黑磷独特的褶皱状晶体结构导致了沿锯齿(Zigzag,ZZ)和扶手椅(Armchair,AC)方向的面内各向异性,使其具有了独特的光电响应。研究表明黑磷的光电特性可以通过丰富的力电磁的方法进行调节。这些特性使黑磷成为从可见光到中红外甚至太赫
学位
纤维增强树脂基复合材料具有很多优点因此被广泛应用于各个工业领域,但是其环境耐久性是其在应用中面临的一个重要挑战。高湿度、紫外线辐射和温度变化等环境会导致聚合物材料的性能发生严重下降,因此需对树脂基复合材料在各种环境下的长期力学性能进行评估,以确保其在使用寿命内足够的安全可靠。本文首先研究了树脂基复合材料的吸湿和循环吸脱湿行为,在此基础上研究了复合材料的湿热老化规律,然后对它们的自然老化规律以及实验
学位
推广和实施生产者责任延伸制度(Extended Producer Responsibility,EPR)是解决当前我国资源和环境问题的重要国策。再制造闭环供应链作为EPR的微观实现机制,其运行的经济和环境效率受到产品可再制造性水平的极大影响。在闭环供应链中,产品可再制造性水平是废旧产品能否进行再制造以及再制造效率的关键影响因素,是生产者责任后向延伸成功实现的源头保证。因此,如何从经济和环境效益角度
学位
光纤-超声检测技术原理是利用光纤传感器接收材料中传播的超声波,通过分析超声波特性确定结构健康状态。目前这种技术广泛应用于建筑、军事、工业制造等领域的结构损伤评估。然而,针对服役于严苛环境的复杂航空航天结构,需进一步开发适用的高精度损伤检测技术。在航空航天结构中,平板是其中非常重要的基础结构。平板结构在长期服役过程中会产生裂纹等微小损伤,微小裂纹在承受外界载荷时会发生扩展形成宏观损伤,降低结构的强度
学位
板壳结构是航空航天飞行器、舰船和汽车等机械系统的重要组成部件并通常受到瞬态载荷的激励而向周围空间辐射噪声。构建能够有效预测板壳结构声振行为的计算方法将为设计低噪声的机械系统提供技术支撑。比例边界有限元法(SBFEM)是一种求解偏微分方程的新技术。它对问题域的边界采用有限单元近似而寻求沿径向的解析解。SBFEM很适合处理奇异性和无限域问题且已被用于平板的静力分析以及有限声场和无限声场的时域建模。然而
学位
机械结构在复杂的工作环境中存在不同形式的有害振动,大量学者对结构的振动控制进行了广泛研究。对于振动的被动减振装置,与有效频率带宽较窄的线性吸振器相比,在吸振器中引入刚度非线性能够增大有效抑振带宽。非线性能量阱是一种典型的非线性吸振器,因其结构简单且经济成本低,在各种工程实际中得到了广泛应用。但之前的学者大都关注具有刚度非线性的非线性能量阱的研究,而忽视了非线性阻尼对吸振器性能的影响。几何非线性阻尼
学位
材料或结构的断裂普遍存在于工程以及日常生活中。随着复合材料的不断发展和广泛应用,不仅材料的组成更加复杂,对材料及结构的精度、稳定性及其工作环境也提出了更高的要求。尤其在高温载荷作用下,由于不同材料之间力学和热学参数的不匹配而产生的变形不协调等原因,在材料的连接界面或界面附近产生微小裂纹。这些微裂纹的存在不仅降低了材料的传热性能,也使其力学性能及结构可靠性受到不利影响,往往是导致复合材料失效或断裂的
学位
典型二维纳尺度结构有着优异的力学、电学和化学等特性,可用于制造纳米谐振器等纳机电系统的核心振动元件。当结构进入到纳米尺度,边界效应、量子效应、范德华力以及温度效应等都会对纳尺度结构的热振动特性产生非常重要的影响。本文以黑磷、二硫化钼、石墨烯以及氮化硼等典型二维纳尺度结构为主要研究对象,采用分子动力学方法和连续介质力学方法研究了单层黑磷的热振动、单层黑磷的非线性热振动、弹性边界条件下单层黑磷的振动、
学位
两轮式倒立摆是轮式移动机器人的一种力学模型,通过安装在两个轮子上的两个电机驱动轮子运动,摆杆的重心位于两轮轴线之上,这样的结构使得两轮式倒立摆自身是不稳定的,必须通过对电机的控制才能保持倒立摆的平衡。相比较于其它可移动结构,两轮式倒立摆具有结构简单,转向灵活等优点。两轮式倒立摆的成功商业应用有九号平衡车和Segway系列。在实际系统的控制中,不确定性因素几乎是不可避免的,但这不意味着在研究中必须考
学位