本文關(guān)鍵詞：基于馬格納斯效應(yīng)控制舵的涵道飛行器及控制策略

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【摘要】：涵道飛行器具有結(jié)構(gòu)緊湊,機(jī)動(dòng)靈活,人機(jī)交互安全等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)垂直起飛降落以及空中懸停等飛行特性,其氣動(dòng)效率高,有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力。本文針對(duì)現(xiàn)有采用葉片控制機(jī)構(gòu)的涵道飛行器所存在的控制力矩非線性飽和對(duì)升力產(chǎn)生波動(dòng)的問題,提出了基于馬格納斯效應(yīng)的涵道飛行器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為四個(gè)呈十字對(duì)稱安裝在涵道底部的空心輪作為控制機(jī)構(gòu),通過調(diào)節(jié)空心輪的旋轉(zhuǎn)速度和方向?qū)里w行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié),其輸出的控制力矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系是線性的。本文針對(duì)所提出的基于馬格納斯效應(yīng)的涵道飛行器,從空氣動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、控制理論和實(shí)驗(yàn)的角度展開研究。采用計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的方法完成基于馬格納斯效應(yīng)的涵道飛行器的研制。建立了三維涵道飛行器模型和流場(chǎng)網(wǎng)格劃分,對(duì)涵道飛行器的懸停和前飛兩種飛行狀態(tài)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析,驗(yàn)證了基于馬格納斯效應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)涵道飛行器姿態(tài)控制。作為涵道飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件,對(duì)空心圓筒進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析,證實(shí)了三維幾何尺寸下的馬格納斯效應(yīng);通過對(duì)圓筒及啞鈴形的對(duì)比分析,確立了提升馬格納斯效應(yīng)效率的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在空氣動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)涵道、圓筒和啞鈴形進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并使控制機(jī)構(gòu)處于涵道飛行器合適位置,使其受外部流場(chǎng)影響最小。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使涵道飛行器的結(jié)構(gòu)更加合理,充分利用了馬格納斯效應(yīng),使涵道飛行器的姿態(tài)直接由馬格納斯效應(yīng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力來控制,為飛行試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度對(duì)涵道飛行器進(jìn)行建模,得到涵道飛行器整體動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)自由剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)建立了涵道飛行器本體坐標(biāo)系和姿態(tài)角表示方法,通過姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得出涵道飛行器的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。建立了含有空心輪和螺旋槳自由度的涵道飛行器的運(yùn)動(dòng)模型。由庫塔-儒科夫斯基升力理論和馬格納斯效應(yīng)原理建立了旋轉(zhuǎn)空心輪的力—轉(zhuǎn)速模型。采用拉格朗日方法建立了涵道飛行器整體非線性動(dòng)力學(xué)方程模型。為涵道飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和涵道飛行器的可行性驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。涵道飛行器是復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng),其跟蹤軌跡和運(yùn)動(dòng)中姿態(tài)鎮(zhèn)定問題仍是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此,提出了一種基于虛擬力(力矩)導(dǎo)向的涵道飛行器控制策略。與現(xiàn)有控制策略相比較,該控制策略直接采用了考慮控制舵和螺旋槳運(yùn)動(dòng)的整體動(dòng)力學(xué)方程,理論上解決了期望控制輸入與執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(馬格納斯效應(yīng)器和螺旋槳系統(tǒng))各項(xiàng)命令之間的非線性映射問題。通過閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,證明了該控制策略能夠使飛行器在軌跡跟蹤過程中保持姿態(tài)鎮(zhèn)定。在完成控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)涵道飛行器的仿真分析,從仿真結(jié)果可知,實(shí)現(xiàn)了良好的軌跡跟蹤和姿態(tài)鎮(zhèn)定。由于涵道飛行器動(dòng)力學(xué)模型極為復(fù)雜,導(dǎo)致控制計(jì)算量大,從實(shí)用化的角度提出了線性分層控制策略。對(duì)復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行線性化,得到涵道飛行器的運(yùn)動(dòng)分解模型。以期望控制輸入與執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項(xiàng)命令之間的非線性映射模型為基礎(chǔ),揭示了機(jī)身動(dòng)力學(xué)和控制機(jī)構(gòu)之間的內(nèi)在耦合關(guān)系,設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易實(shí)用型解耦網(wǎng)絡(luò),最終建立了一種以機(jī)身控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器分離設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的線性分層控制策略�；隰敯艨刂评碚�,設(shè)計(jì)了外層控制器(機(jī)身控制器),并通過對(duì)上層的控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析和外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)誤差的奇異值分析,得出了線性分層控制策略能夠保證系統(tǒng)收斂并穩(wěn)定的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析。針對(duì)由偏航運(yùn)動(dòng)和由系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化導(dǎo)致的未建模不確定性所引起的波動(dòng),提出了一種非線性耦合項(xiàng)補(bǔ)償策略。為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的線性分層控制器的控制效果,以前面提出的整體動(dòng)力學(xué)方程作為虛擬飛行器,對(duì)其進(jìn)行連續(xù)命令飛行、階躍響應(yīng)和自由飛行三種飛行模式的仿真。結(jié)果表明,控制器能夠使涵道飛行器整體閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型穩(wěn)定并達(dá)到良好控制效果。為驗(yàn)證本文所研究的理論和方法的有效性,需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。搭建了涵道飛行器的測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)了以ARM為核心的控制器,完成了姿態(tài)檢測(cè)模塊,通信模塊,涵道飛行機(jī)器人的電氣系統(tǒng),完成了姿態(tài)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。針對(duì)利用馬格納斯效應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)對(duì)涵道飛行器姿態(tài)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)行了俯仰角姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中所設(shè)計(jì)的控制策略和控制機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)性能,進(jìn)行了懸停實(shí)驗(yàn)、懸停擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)和角度跟蹤控制實(shí)驗(yàn)研究。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V249

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1 丁則勝 ,邱光純 ,張萍;馬格納斯效應(yīng)的研究與發(fā)展[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1981年04期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 侯慶明;基于馬格納斯效應(yīng)控制舵的涵道飛行器及控制策略[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

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1 韓成龍;馬格納斯效應(yīng)測(cè)量分析試驗(yàn)臺(tái)的研制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：1226885