微型飛行器非線性飛行動力學(xué)與智能控制研究.pdf

1、近年來，在不斷增長的應(yīng)用前景刺激之下，微型飛行器正逐步成為一個國際性的研究熱點。MAV在低雷諾數(shù)條件下具有的非線性飛行動力學(xué)特性、外界非定常大氣擾動、系統(tǒng)內(nèi)的微型化和測量精度等因素，使得MAV自主飛行控制成為一個有別于常規(guī)無人機(jī)控制的復(fù)雜問題。 MAV的自主飛行問題，實際上就是對一個非線性、非定常以及參數(shù)不確定性復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。針對MAV自主飛行系統(tǒng)的要求，本文著重于構(gòu)建一個包括對象特性分析與控制方法研究在內(nèi)的一體化研究體

2、系。從固定翼MAV的特殊總體布局設(shè)計、低雷諾數(shù)氣動分析、非線性飛行動力學(xué)特性分析以及非定常大氣擾動影響研究出發(fā)，構(gòu)建相應(yīng)的智能導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)MAV自主飛行。本文的研究工作主要包括以下內(nèi)容： （1）構(gòu)建基于總體構(gòu)型設(shè)計與氣動特性研究的具有自主飛行能力MAV系統(tǒng)設(shè)計框架 針對MAV飛行的特點，確定了以MAV特殊總體構(gòu)型設(shè)計、低雷諾數(shù)氣動特性與非線性動力學(xué)特性研究為基礎(chǔ)，結(jié)合非定常大氣擾動對MAV飛行的影響分析，以

3、MAV組合導(dǎo)航技術(shù)、智能飛行控制策略為關(guān)鍵技術(shù)的一體化研究構(gòu)架，構(gòu)建相應(yīng)的MAV智能自主飛行系統(tǒng)，并將MAV飛行仿真技術(shù)與飛行試驗貫穿于MAV研究始終。 （2）低雷諾數(shù)條件下的MAV非線性飛行動力學(xué)特性分析 提出了一個MAV特殊總體布局設(shè)計方案，開展固定翼MAV低雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗，結(jié)合MAV飛行試驗數(shù)據(jù)辨識，研究固定翼MAV低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)模型；提出了一種針對飛翼式固定翼MAV的動阻尼導(dǎo)數(shù)計算方法；建立了考慮螺旋槳滑

4、流作用的MAV飛行動力學(xué)方程。提出了一種基于MAV全自由度動力學(xué)模型的飛行動力學(xué)特性全狀態(tài)分析方法，研究了MAV在這個飛行包線內(nèi)的飛行動力學(xué)特性非線性變化規(guī)律。 （3）非定常大氣擾動下的MAV飛行力學(xué)特性研究 通過研究各類大氣擾動現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理與表現(xiàn)特征，結(jié)合MAV飛行的特點，確定了對MAV飛行具有突出影響的幾類典型大氣擾動模型；研究了典型特征參數(shù)在風(fēng)場模型中的作用，建立適合MAV飛行仿真的非定常大氣擾動風(fēng)場模型；研

5、究非定常擾動對MAV飛行特性的影響，建立了考慮非定常大氣擾動影響的MAV飛行動力學(xué)模型。 （4）基于多傳感器技術(shù)的MAV組合導(dǎo)航技術(shù)研究 提出了一種基于組合傳感器技術(shù)的MAV分層次導(dǎo)航系統(tǒng)方案。引入四元數(shù)結(jié)構(gòu)下的捷聯(lián)慣導(dǎo)與GPS組合信息卡爾曼姿態(tài)濾波方案。在姿態(tài)測量的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多傳感器智能組合技術(shù)的MAV導(dǎo)航位置信息優(yōu)化提取方案。 （5）MAV自主飛行智能控制策略研究及穩(wěn)定性分析 建立

6、了以MAV各個方向姿態(tài)穩(wěn)定為基礎(chǔ)，MAV全局軌跡導(dǎo)航為目標(biāo)的分層次自主飛行系統(tǒng)設(shè)計方案。在MAV非線性飛行動力學(xué)特性研究以及實際飛行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，研究了MAV自主飛行各子系統(tǒng)控制中可變控制參數(shù)集合的模糊超曲面，保證了特定狀態(tài)范圍內(nèi)MAV姿態(tài)、高度以及航跡等各個子控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；引入專家控制思想，將MAV遙控飛行人員的領(lǐng)域知識以及經(jīng)驗技巧引入到整個系統(tǒng)的全局仲裁機(jī)構(gòu)，對系統(tǒng)進(jìn)行整體的協(xié)調(diào)與優(yōu)化，實現(xiàn)了MAV全局穩(wěn)定自主飛行控制；針

7、對該類智能自主飛行控制系統(tǒng)的特點，提出基于Lyapunov理論的MAV自主飛行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。 （6）MAV自主飛行仿真平臺與飛行試驗技術(shù)研究 確定MAV自主飛行數(shù)學(xué)仿真平臺構(gòu)成，研究各分系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模技術(shù)，分析MAV系統(tǒng)內(nèi)誤差的類型與建模技術(shù)，建立真實有效的MAV自主飛行控制三維動態(tài)數(shù)學(xué)仿真平臺；分析了飛行試驗在MAV自主飛行設(shè)計中的重要性，研究了MAV飛行試驗中的關(guān)鍵技術(shù)；開展大量飛行試驗，對MAV自主飛行控制設(shè)