涵道式無人飛行器建模與控制方法研究.pdf

1、涵道式無人飛行器是一種特種無人飛行器，它的動力來源于風扇置于環(huán)形涵道內(nèi)所構(gòu)成的推力或者升力裝置。與普通固定翼及旋翼式無人飛行器相比，它具有以下優(yōu)點：更緊湊的結(jié)構(gòu)，更低的氣動噪聲，更好的使用安全性，在同樣功率相同直徑條件下，與孤立風扇相比會產(chǎn)生更大的拉力。因此，它具有廣泛的應用前景。
　　由于涵道式無人飛行器獨特的氣動外形，其建模和控制方法設計都面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文針對這種涵道式無人飛行器動力學建模復雜，模型存在嚴重的不確定性及機體

2、容易受到外界環(huán)境干擾等問題設計了控制器。本文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先，文章介紹了涵道式無人飛行器的總體構(gòu)形及設計參數(shù)。綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻，結(jié)合滑流理論，葉素理論及動量理論對涵道風扇的動力學特征進行了詳細的分析。采用面元法分析了舵面的偏轉(zhuǎn)角度與壓力分布的關(guān)系，再運用剛體力學的相關(guān)知識對此無人飛行器進行建模，得到飛行器的非線性動力學方程和運動學方程，最后，運用工作點附近小擾動線性化的方法對上述方程進行簡化，給出線性化

3、的飛行器模型。
　　第二，針對涵道式無人飛行器模型存在不確定性，負載容易發(fā)生變化及容易受到外界側(cè)風等眾多因素干擾的特點，分別提出了一種狀態(tài)反饋控制器和輸出反饋控制器設計方法，使飛行控制系統(tǒng)既能滿足干擾抑制指標約束條件，又能將閉環(huán)極點配置到指定區(qū)域內(nèi)。并且以線性矩陣不等式的形式，給出了滿足設計要求的控制器存在條件，并進行了穩(wěn)定性的分析與證明。數(shù)值仿真實驗說明，這種控制方法對側(cè)風干擾及負載變化具有良好的魯棒穩(wěn)定性和令人滿意的動態(tài)性能。

4、
　　第三，由于涵道式無人飛行器的工作環(huán)境復雜，針對其可能出現(xiàn)的執(zhí)行器故障和傳感器故障方面的問題，本文提出了一種穩(wěn)定化魯棒容錯控制方法，使得飛行器在執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障僅能部分工作時，飛行器的閉環(huán)極點依然能限定在某一指定的區(qū)域內(nèi)，并且滿足干擾抑制指標約束條件。以線性矩陣不等式的形式給出了控制器存在的條件并給出相關(guān)證明。數(shù)值仿真實驗說明，這種控制方法在涵道式無人飛行器工作環(huán)境劇烈變化，導致執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障時依然能夠滿足性能指

5、標要求。
　　第四，針對飛行器模型存在的非線性不確定性，提出了一種將自適應控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的控制方法，充分考慮了各軸之間的耦合作用，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制使系統(tǒng)對不確定因素具有較強的魯棒性和抗干擾能力。引入自適應控制，對系統(tǒng)參數(shù)進行在線辨識，實時調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，消除系統(tǒng)參數(shù)的不確定性對控制精度的影響。同時在設計切換函數(shù)時引入跟蹤誤差的積分項，不需要求得跟蹤誤差的各階導數(shù)項，并且可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，通過合理的選取切換函數(shù)