平流层飞艇平台姿态控制研究

论文摘要

平流层飞艇平台的研究在国防和国民经济建设中具有广阔的应用前景,由于拥有诸多优点已成为国际上的研究热点。在研制平流层飞艇的诸多关键技术中,自主飞行控制系统的开发是至关重要的。本文在国内外公开发表的资料的基础上,对空中无人飞艇的姿态控制问题进行研究。主要工作包括以下几个方面:1、采用机理分析的方法,在详细分析飞艇受力情况的基础上,依据理论力学原理和运动参数之间的几何关系建立了飞艇的六自由度非线性运动方程,并采用小扰动线性化方法对飞艇的运动方程进行线性化,解耦为纵向和横向两组方程;2、基于确定性方法,讨论了TRIAD双矢量定姿的具体算法,给出了一种利用地磁矢量和加速度矢量联合定姿的粗定姿算法;基于状态估计法,通过Kalman滤波器完成陀螺/加速度计和磁强计方案的姿态确定系统,实现载体的最优姿态估计。仿真试验表明,捷联姿态系统动态性能较好,能够满足设计指标要求。3、应用满意控制思想,研究了期望指标扇形区域极点,稳态输出方差和动态误差系数约束下飞艇姿态控制系统的控制设计问题。将飞艇姿态控制分为纵向控制和横侧向控制,采用满意PID控制的方法,分别为其设计了控制律,并进行了仿真验证。其次,还分析了横向阵风对飞艇姿态控制的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 平流层飞艇平台的发展概况
• 1.2.1 国外平流层飞艇的发展概况
• 1.2.2 国内平流层飞艇的发展概况
• 1.3 平流层飞艇需要解决的关键技术
• 1.4 平流层飞艇建模与控制的研究现状
• 1.5 平流层飞艇姿态控制系统概述
• 1.5.1 姿态确定系统
• 1.5.2 姿态控制系统
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 平流层飞艇的建模
• 2.1 飞艇基本构型与基本假设
• 2.2 坐标系的选择与飞艇运动学参数
• 2.2.1 坐标系的选择
• 2.2.2 运动学参数
• 2.3 飞艇受力及力矩分析
• 2.3.1 重力
• 2.3.2 浮力
• 2.3.3 推力
• 2.3.4 空气动力
• 2.3.5 附加质量效应
• 2.4 飞艇动力学方程
• 2.5 飞艇运动学方程
• 2.6 飞艇运动方程的线性化
• 2.7 本章小结
• 第三章 飞艇姿态确定系统的研究
• 3.1 姿态的描述
• 3.1.1 欧拉角法
• 3.1.2 四元数法
• 3.1.3 四元数与欧拉角的关系
• 3.2 姿态确定的基本原理和方法
• 3.2.1 惯性测量法
• 3.2.2 参考矢量法
• 3.2.3 状态估计法
• 3.2.4 卡尔曼滤波理论
• 3.3 飞艇姿态确定的研究
• 3.3.1 陀螺积分姿态确定算法
• 3.3.2 加速度计/磁强计姿态确定方法
• 3.3.3 陀螺/加速度计和磁强计的组合定姿方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于满意PID 理论的飞艇姿态控制设计
• 4.1 飞艇姿态控制系统的功能和结构
• 4.2 满意 PID 控制理论概述
• 4.2.1 增广积分环节的构建
• 4.2.2 多指标约束控制
• 4.3 飞艇姿态控制器的设计
• 4.3.1 俯仰通道
• 4.3.2 偏航通道
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 阵风对飞艇的影响
• 4.4.1 阵风作用的力和力矩
• 4.4.2 阵风的动态模型
• 4.4.3 动力学方程求解
• 4.4.4 阵风作用下的控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文的主要贡献
• 5.2 本文的不足之处和进一步展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文