新型无人直升机全向导航控制技术研究

论文摘要

本文以某新构型无人直升机为研究对象,该无人直升机采用单旋翼涵道风扇式的共轴对称布局,同常规无人直升机相比,没有明显的机头和机尾的结构特征,本文基于此提出一种新的适用于该无人直升机的全向导航思想,并进行全向导航控制技术的研究。首先针对该新型无人直升机的布局特点,从物理结构和数学模型两个方面分析了它的全向特性,指出其具备全向飞行能力,并与常规飞行器的前向导航思想比较,提出了一种新的全向导航思想。其次分析了该型无人直升机的姿态稳定控制回路,在姿态稳定控制回路的基础上设计了速度控制回路,将速度控制回路作为内回路,在外回路详细阐述了无人直升机点对点飞行和转弯飞行时的全向导航控制策略,并进行控制模式整合,即将一般情况下无人直升机悬停和飞行两种控制模式整合为一种控制模式,使无人直升机起飞后不再进行控制模式的切换,解决了控制模式切换带来的扰动问题。然后分硬件和软件两个方面研究了该型无人直升机全向导航控制的实现方法。最后分别设计了全数字仿真和半实物仿真结构,进行了全向导航仿真试验,仿真结果验证了全向导航思想的可行性和控制策略的有效性。全向导航控制思想不仅仅适用于本课题研究的无人直升机,而且同样适用于轴对称的一类飞行器。“飞碟”被人类假想为外星人的飞行工具,它正是适用于全向导航控制思想的全向飞行器,本文研究成果可为这类全向飞行器的飞行控制提供有益的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 无人直升机发展现状
• 1.3 无人直升机飞行控制技术研究现状
• 1.4 本文研究内容和章节安排
• 第二章 新型无人直升机数学模型和全向特性分析
• 2.1 新型无人直升机构型特点
• 2.2 新型无人直升机数学模型
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 非线性数学模型
• 2.2.3 线性化数学模型
• 2.3 数学模型各向一致性分析
• 2.3.1 气动导数分析
• 2.3.2 零输入响应分析
• 2.3.3 零状态响应分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 全向导航控制策略研究
• 3.1 姿态控制
• 3.2 高度控制
• 3.3 速度控制
• 3.4 前向导航控制
• 3.5 点对点全向导航控制
• 3.5.1 点对点全向导航控制概念
• 3.5.2 点对点全向导航控制律
• 3.6 转弯飞行全向导航控制
• 3.6.1 转弯飞行全向导航控制概念
• 3.6.2 转弯飞行全向导航控制律
• 3.7 全向导航控制模式整合
• 3.8 本章小结
• 第四章 全向导航控制的实现
• 4.1 硬件实现
• 4.1.1 机载部分
• 4.1.2 地面部分
• 4.2 软件实现
• 4.2.1 功能结构
• 4.2.2 主要流程
• 4.2.4 关键问题
• 4.3 本章小结
• 第五章 全向导航仿真试验
• 5.1 全数字仿真
• 5.1.1 仿真结构
• 5.1.2 结果分析
• 5.2 半实物仿真
• 5.2.1 仿真结构
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文