微型拍翅式飞行机器人翅运动及控制系统研究

论文题目: 微型拍翅式飞行机器人翅运动及控制系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 周建华

导师: 颜景平

关键词: 微型飞行机器人,拍翅,运动学,动力学,控制系统,位置控制,姿态控制,拍翅机构

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 微型拍翅式飞行机器人是一种仿生飞行的飞行器,其在军事上和民用上均具有广阔的应用前景,它已成为目前国际上的研究热点之一。本文作为“仿生飞行机器人及其关键技术研究”课题的一部分,主要围绕拍翅运动模型及控制系统展开了相应的研究。参照固定翼飞机建立坐标系的方法,建立了一组适用于微型拍翅式飞行机器人的坐标系统,定义了坐标系之间的关系参数,导出了坐标系之间的变换矩阵。研究了微型拍翅式飞行机器人的拍翅运动形式,提出了适用于刚性结构翅和柔性结构翅的两种拍翅模型。对这两种拍翅模型产生的气动力和气动力矩进行理论分析和计算,分析了多个运动参数对气动力和气动力矩的影响,比较了这两个模型的各自特点。结果表明:采用刚性结构翅的拍翅式飞行机器人,具有平飞飞行和驻飞飞行两种飞行方式,分别适用于飞行机器人的平飞飞行的驻飞飞行,这两种飞行方式的组合应用,能使拍翅式飞行机器人的飞行机动性大大提高;采用柔性结构翅的拍翅式飞行机器人,适用于前飞和驻飞,翅的柔性变形能够提高气动效率和飞行稳定性。进一步对柔性结构翅,提出了柔性翅产生气动力的翅后缘“鱼尾效应”机理,指出柔性翅的制作材料和翅弦刚度是影响柔性翅性能的关键。分别计算了两种拍翅模型下,左右翅拍动所产生的气动力和气动力矩,通过对两种拍翅模型的运动学和动力学的分析,导出了微型拍翅式飞行机器人机体的运动微分方程。设计了一个采用压电双晶片(PZT)驱动的两自由度的双摇杆拍翅机构,该机构可以驱动刚性翅实现两自由度的拍翅运动,具有:结构简单、重量轻、动作可靠、拍动幅度大、驱动容易和控制方便等特点,适用于微型拍翅式飞行机器人的拍翅系统。同时指出由于目前PZT的驱动电压较高,在现阶段难以实现独立飞行。设计了一个电机驱动的曲柄摇杆机构,驱动柔性结构翅,利用该机构制作出大比例飞行样机,指出该机构微型化比较困难。对微型拍翅式飞行机器人的飞行控制系统,提出分层控制的方法,将飞行机器人的控制系统分为三个相对独立的控制层:轨迹规划控制层、位置控制层和姿态控制层。重点研究了位置控制层和姿态控制层的控制系统设计。设计了一种以周期平均气动力和气动力矩代替瞬时气动力和气动力矩的控制方法,即在每个拍动周期结束后,检测系统状态参数,根据状态误差调整拍翅参数。对于不同的飞行拍翅模型,分别提出了与其相适应的位置和姿态控制方法,对控制系统进行了解耦分析,确定了各控制通道的控制参数。探讨了神经网络在驻飞飞行的姿态控制系统中的应用,最后采用MATLAB软件对控制系统进行了仿真分析。利用自行研制的气动力测量实验平台,对刚性结构翅和柔性结构翅的拍翅模型进行了气动力实验,实验结果验证了微型翅气动力的理论分析。研制出了柔性翅的大比例拍翅式飞行机器人试验样机,分析了样机的结构,确定了样机各部分的制作材料,最后成功地进行了样机的试飞飞行。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 微型拍翅式飞行机器人特点及用途

1.3 微型拍翅式飞行机器人研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 微型拍翅式飞行机器人研制的关键技术

1.4.1 低雷诺数下的空气动力学问题

1.4.2 动力装置和动力源

1.4.3 传动和拍动机构

1.4.4 飞行控制及导航系统设计

1.4.5 微型传感器和通信系统

1.5 课题的研究意义和本文研究的主要内容

1.5.1 课题来源及意义

1.5.2 主要研究内容

第二章 拍翅飞行机理

2.1 引言

2.2 昆虫拍翅飞行的高升力机理

2.3 机理研究中存在的问题

2.4 本章小结

第三章 微型拍翅式飞行机器人模型及坐标系统

3.1 微型拍翅式飞行机器人模型

3.1.1 拍翅式飞行机器人结构模型

3.1.2 拍翅式飞行机器人翅结构

3.2 微型拍翅式飞行机器人坐标系统

3.2.1 坐标系定义

3.2.2 坐标系之间的关系及变换矩阵

3.3 本章小结

第四章 拍翅模型及气动力分析

4.1 刚性翅拍翅模型平飞飞行方式及气动力分析

4.1.1 翅拍动形式

4.1.2 平飞飞行拍翅方式

4.1.3 气动力计算

4.1.4 仿真与分析

4.2 刚性翅拍翅模型驻飞飞行方式及气动力分析

4.2.1 驻飞飞行拍翅方式

4.2.2 气动力计算

4.2.3 仿真与分析

4.3 柔性翅拍翅模型及气动力分析

4.3.1 柔性翅拍翅方式

4.3.2 气动力计算

4.3.3 仿真与分析

4.4 飞行机器人翅拍动形式的应用

4.5 本章小结

第五章 拍翅式飞行机器人运动方程

5.1 拍翅式飞行机器人三维空间运动方程的建立

5.1.1 运动关系的建立

5.1.2 动力学方程的建立

5.1.3 飞行机器人总运动方程

5.2 作用在飞行机器人机体上的力和力矩

5.2.1 刚性翅拍翅模型平飞飞行的力和力矩

5.2.2 刚性翅拍翅模型驻飞飞行的力和力矩

5.2.3 柔性翅拍翅模型的力和力矩

5.3 本章小结

第六章 拍翅机构的研究

6.1 拍翅系统研究现状

6.2 基于PZT驱动的拍翅机构

6.2.1 PZT压电晶体简介

6.2.2 PZT驱动的两自由度拍翅机构

6.2.3 摇杆机构分析

6.2.4 双摇杆机构翅转动的运动分析

6.3 基于电机驱动的拍翅机构

6.4 本章小结

第七章 控制系统设计及仿真

7.1 引言

7.1.1 微型飞行器控制系统的基本原理

7.1.2 拍翅式微型飞行机器人控制的特点

7.1.3 MFI采用的控制系统

7.2 微型拍翅飞行机器人控制系统设计

7.3 刚性翅拍翅模型平飞飞行控制系统

7.3.1 位置控制系统设计

7.3.2 姿态控制系统设计

7.4 刚性翅模型控制驻飞飞行系统

7.4.1 基于PD的姿态控制方案

7.4.2 基于神经网络的姿态控制方案

7.5 柔性翅拍翅模型控制系统

7.5.1 位置控制系统设计

7.5.2 姿态控制系统设计

7.6 本章小结

第八章 拍翅式飞行机器人实验研究

8.1 气动力测量实验平台

8.1.1 气动力测量实验平台组成

8.1.2 气动力实验方法简介

8.2 翅气动力实验

8.2.1 刚性翅拍翅模型平飞飞行升力试验

8.2.2 刚性翅拍翅模型驻飞飞行升力试验

8.2.3 柔性翅气动力实验

8.2.4 翅气动力实验结果分析

8.3 样机研制

8.4 飞行试验

8.5 本章小结

第九章 结论与未来工作展望

9.1 结论

9.2 未来工作展望

参考文献

作者在攻读博士期间发表论文情况

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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