四旋翼垂直起降机控制问题的研究

论文摘要

四旋翼垂直起降机相对于一般的单螺旋旋翼式直升机可以采用更小的螺旋桨,不至于使裸露在外面的螺旋桨刮到周围物体,从而使飞行变得更加安全。此外,四个螺旋桨产生的推力较单个螺旋桨产生的推力能更好的实现飞行器的静态盘旋,并且可以在悬空静止的状态瞬时改变其姿态,具有较高的机动性和有效承载力。它的价值已经逐渐被控制领域和商业领域的人们所重视。本文建立了四旋翼垂直起降机进行动力学模型,针对建模模型设计H_∞回路成形控制器,同时搭建物理平台,并在RTW环境下进行了半实物仿真。首先,确定了四旋翼垂直起降机的设计方案。四旋翼垂直起降机具有四个输入力,同时却有六个输出,所以它是一种欠驱动系统,而且四旋翼垂直起降机是通过改变螺旋桨速度实现升力变化的,这样就会导致其动力的不稳定,所以就需要有稳定的控制率,用来保证它的稳定飞行。而H_∞回路成形法能够将经典频域设计理论的鲁棒性优点和现代控制理论的状态空间方法相结合,为此我们选用H_∞回路成形方法设计飞行控制器。为设计控制器,首先我们建立它的非线性模型并对模型进行线性化,然后通过Matlab仿真,验证所设计的H_∞回路成形控制器的控制效果。其次,为了测定实际模型的参数,我们对垂直起降机的四个旋翼进行驱动,分析设计旋翼电机驱动电路,搭建整个物理平台。最后,构建系统的仿真环境,完成实时仿真环境的建立,并通过实时仿真测定电机参数和系统转动惯量,整定得到实际对象模型,并对系统的横滚通道进行实时仿真,验证控制器的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 历史回顾及现状
• ∞理论发展概述'>1.2.2 H_∞理论发展概述
• 1.3 四旋翼垂直起降机的特点
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 模型建立
• 2.1 原理及姿态控制
• 2.2 系统建模
• 2.2.1 坐标系转换
• 2.2.2 非线性建模
• 2.2.3 模型线性化
• 2.3 本章小结
• ∞回路成形控制方法的研究'>第3章 H_∞回路成形控制方法的研究
• 3.1 系统不确定性分析
• ∞回路成形'>3.2 H_∞回路成形
• 3.2.1 回路成形综述
• 3.2.2 系统性能要求
• 3.3 控制器实现分析
• 3.3.1 设计流程
• 3.3.2 加权矩阵的选择
• 3.4 本章小结
• 第4章 四悬翼垂直起降机的控制器设计
• 4.1 仿真模型
• ∞回路成形控制器设计'>4.2 H_∞回路成形控制器设计
• 4.2.1 回路成形控制
• 4.2.2 鲁棒稳定性
• 4.2.3 控制器实现
• 4.3 控制器的降阶
• 4.4 本章小结
• 第5章 平台建立及实时仿真系统的实现
• 5.1 旋翼电机驱动设计
• 5.2 实时仿真环境的搭建
• 5.2.1 物理装置的实现
• 5.2.2 实时视窗目标创建流程
• 5.3 电机参数和惯量的测定
• 5.4 实际模型仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢