微型飞行器非线性飞行动力学与智能控制研究

论文摘要

近年来,在不断增长的应用前景刺激之下,微型飞行器正逐步成为一个国际性的研究热点。MAV在低雷诺数条件下具有的非线性飞行动力学特性、外界非定常大气扰动、系统内的微型化和测量精度等因素,使得MAV自主飞行控制成为一个有别于常规无人机控制的复杂问题。MAV的自主飞行问题,实际上就是对一个非线性、非定常以及参数不确定性复杂系统的控制问题。针对MAV自主飞行系统的要求,本文着重于构建一个包括对象特性分析与控制方法研究在内的一体化研究体系。从固定翼MAV的特殊总体布局设计、低雷诺数气动分析、非线性飞行动力学特性分析以及非定常大气扰动影响研究出发,构建相应的智能导航与控制系统,以实现MAV自主飞行。本文的研究工作主要包括以下内容:(1)构建基于总体构型设计与气动特性研究的具有自主飞行能力MAV系统设计框架。针对MAV飞行的特点,确定了以MAV特殊总体构型设计、低雷诺数气动特性与非线性动力学特性研究为基础,结合非定常大气扰动对MAV飞行的影响分析,以MAV组合导航技术、智能飞行控制策略为关键技术的一体化研究构架,构建相应的MAV智能自主飞行系统,并将MAV飞行仿真技术与飞行试验贯穿于MAV研究始终。(2)低雷诺数条件下的MAV非线性飞行动力学特性分析提出了一个MAV特殊总体布局设计方案,开展固定翼MAV低雷诺数风洞试验,结合MAV飞行试验数据辨识,研究固定翼MAV低雷诺数空气动力学模型;提出了一种针对飞翼式固定翼MAV的动阻尼导数计算方法;建立了考虑螺旋桨滑流作用的MAV飞行动力学方程。提出了一种基于MAV全自由度动力学模型的飞行动力学特性全状态分析方法,研究了MAV在这个飞行包线内的飞行动力学特性非线性变化规律。(3)非定常大气扰动下的MAV飞行力学特性研究通过研究各类大气扰动现象的产生机理与表现特征,结合MAV飞行的特点,确定了对MAV飞行具有突出影响的几类典型大气扰动模型;研究了典型特征参数在风场模型中的作用,建立适合MAV飞行仿真的非定常大气扰动风场模型;研究非定常扰动对MAV飞行特性的影响,建立了考虑非定常大气扰动影响的MAV飞行动力学模型。(4)基于多传感器技术的MAV组合导航技术研究提出了一种基于组合传感器技术的MAV分层次导航系统方案。引入四元数结构下的捷联惯导与GPS组合信息卡尔曼姿态滤波方案。在姿态测量的基础上,提出了一种基于多传感器智能组合技术的MAV导航位置信息优化提取方案。(5)MAV自主飞行智能控制策略研究及稳定性分析建立了以MAV各个方向姿态稳定为基础,MAV全局轨迹导航为目标的分层次自主飞行系统设计方案。在MAV非线性飞行动力学特性研究以及实际飞行数据分析的基础上,研究了MAV自主飞行各子系统控制中可变控制参数集合的模糊超曲面,保证了特定状态范围内MAV姿态、高度以及航迹等各个子控制系统的稳定工作;引入专家控制思想,将MAV遥控飞行人员的领域知识以及经验技巧引入到整个系统的全局仲裁机构,对系统进行整体的协调与优化,实现了MAV全局稳定自主飞行控制;针对该类智能自主飞行控制系统的特点,提出基于Lyapunov理论的MAV自主飞行系统稳定性分析。(6)MAV自主飞行仿真平台与飞行试验技术研究确定MAV自主飞行数学仿真平台构成,研究各分系统的数学建模技术,分析MAV系统内误差的类型与建模技术,建立真实有效的MAV自主飞行控制三维动态数学仿真平台;分析了飞行试验在MAV自主飞行设计中的重要性,研究了MAV飞行试验中的关键技术;开展大量飞行试验,对MAV自主飞行控制设计提供必要的辅助与有效性验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 相关研究工作综述
• 1.2.1 MAV 研究历史及现状
• 1.2.2 MAV 主要关键技术发展现状
• 1.3 本文的主要研究工作和内容安排
• 第二章 MAV 非线性飞行动力学的建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 固定翼MAV 总体特征
• 2.2.1 MAV 总体布局设计
• 2.2.2 MAV 低雷诺数气动特性
• 2.2.3 MAV 质量和惯量特性研究
• 2.3 MAV 空气动力学建模
• 2.3.1 CFD 计算
• 2.3.2 低雷诺数风洞试验
• 2.3.3 固定翼MAV 动阻尼导数计算
• 2.3.4 基于试飞试验数据的气动模型辨识
• 2.4 MAV 非线性飞行动力学方程
• 2.4.1 考虑螺旋桨滑流作用的MAV 质心运动方程
• 2.4.2 考虑螺旋桨滑流作用的 MAV 旋转运动方程
• 2.5 MAV 飞行动力学非线性特性研究
• 2.5.1 基于小扰动假设的MAV 飞行动力学非线性品质分析
• 2.5.2 基于MAV 数学模型的飞行动力学全状态特性分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 非定常大气扰动下的MAV 飞行动力学特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 MAV 非定常扰动研究
• 3.2.1 大气扰动相关定义
• 3.2.2 变化风场模型一般形式描述
• 3.2.3 MAV 飞行环境下典型大气扰动风场研究
• 3.3 非定常大气扰动对MAV 飞行动力学特性的影响
• 3.3.1 大气风速与MAV 飞行的基本关系
• 3.3.2 MAV 飞行状态与非定常风场关系研究
• 3.3.3 非定常风场内MAV 飞行状态变化特性
• 3.4 考虑非定常大气扰动影响的MAV 飞行动力学方程
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于多传感器技术的MAV 导航系统技术
• 4.1 引言
• 4.2 MAV 导航方案研究
• 4.2.1 MAV 导航系统特点分析
• 4.2.2 MAV 多传感器组合导航方案确立
• 4.2.3 MAV 多传感器组合导航硬件系统构成
• 4.3 姿态测量系统设计
• 4.3.1 基于小过载假设的惯性传感器测量姿态方案
• 4.3.2 基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态
• 4.4 位置与速度测量系统设计
• 4.4.1 MAV 导航运动方程
• 4.4.2 MAV 导航信息提取多种可行方法研究
• 4.4.3 MAV 导航信息提取优化组合方法研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 MAV 自主飞行智能控制技术
• 5.1 引言
• 5.2 MAV 系统组成
• 5.3 行为控制策略在MAV 自主飞行系统中的应用
• 5.3.1 MAV 自主飞行对行为控制策略的需求
• 5.3.2 MAV 自主飞行行为控制的原则
• 5.3.3 MAV 自主飞行行为的级别与层次
• 5.4 模糊控制技术在MAV 自主飞行系统中的应用
• 5.4.1 模糊控制的基本思想
• 5.4.2 MAV 自主飞行对模糊控制策略的需求
• 5.4.3 MAV 模糊控制设计
• 5.4.4 MAV 模糊动力系统控制设计
• 5.5 专家控制技术在MAV 自主飞行系统中的应用
• 5.5.1 专家控制的基本思想
• 5.5.2 MAV 自主飞行专家控制系统设计
• 5.6 基于专家模糊行为的MAV 自主飞行系统设计
• 5.7 基于 Lyapunov 理论的 MAV 自主飞行系统稳定性分析
• 5.7.1 Lyapunov 意义下的稳定性定义
• 5.7.2 Lyapunov 稳定性分析方法
• 5.7.3 基于Lyapunov 直接法的MAV 自主飞行控制稳定性分析
• 5.8 飞行仿真验证
• 5.9 本章小结
• 第六章 MAV 飞行仿真与飞行试验技术
• 6.1 引言
• 6.2 MAV 飞行仿真技术
• 6.2.1 MAV 飞行仿真的特点
• 6.2.2 MAV 飞行仿真系统方案设计
• 6.2.3 MAV 飞行仿真系统数学模型研究
• 6.2.4 MAV 飞行数值仿真算法
• 6.3 MAV 飞行试验技术
• 6.3.1 MAV 飞行试验应用技术研究
• 6.3.2 MAV 飞行数据处理技术
• 6.3.3 MAV 飞行试验需要注意的特殊问题
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作的创新点
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 一、发表和录用的论文
• 二、主要科研工作与获奖情况