基于姿态引导和扰动辨识的涵道飞行器智能控制

摘要

涵道飞行器特殊的气动布局使得它具有机动性强、推进效率高等优点，特别适合用于高空侦查、监视等对悬停效率要求高的场合。但是，考虑到涵道飞行器所处的工作环境经常会受到侧风等外界空气扰动的影响，而且这些扰动是不确定的、时变的，这就要求涵道飞行器的控制系统有很好的鲁棒性。本文针对上述问题，以悬停和轨迹跟踪为目标，建立涵道飞行器的经典控制体系和智能控制方法，对外界扰动的辨识问题进行了探索。
　　首先，建立涵道飞行器的数学模型。通过对涵道飞行器各个组成部分的介绍，讲述了其垂直起降和姿态调整的工作原理；考虑螺旋桨和控制舵的动力学特性，对涵道飞行器进行整体动力学建模，将整个系统抽象为11个自由度的多输入多输出系统；使用卡尔丹角描述其飞行姿态，在运动分析中引入坐标变换矩阵；通过拉格朗日函数建立系统的动力学方程，并结合空气动力学的相关知识定义涵道飞行器受到的外界作用力。
　　其次，设计基于虚拟力导向的分层控制体系。根据系统需求设计伪控制输入，构成分层控制体系的顶层；从系统的动力学方程出发，定义参考反馈指令，再结合动力学解耦算法，将控制信息分解为各个舢板和螺旋桨的动作命令；处于分层控制体系底层的是控制舵和螺旋桨的控制规律。结合涵道飞行器的悬停目标，设计了基于计算力矩法的伪控制输入。
　　然后，设计基于姿态导向和扰动辨识的轨迹跟踪控制方法。通过对涵道飞行器平动动力学方程的分析，得出姿态运动是水平横向和纵向飞行的虚拟输入；据此设计姿态角度命令生成器，可以解除平动和姿态运动之间的耦合；将外界空气扰动和模型的不确定性统一考虑为系统函数，并假设系统函数是由容易辨识的低频分量和高频分量组成，同时根据轨迹跟踪的要求设计系统函数的更新规律。此外，从控制系统的鲁棒性出发，对传统的控制体系和智能控制方法进行了对比分析。
　　最后，使用MATLAB和Adams对以上两种控制方法进行联合仿真，在仿真过程中强调了系统参数选择的重要性。仿真结果与之前的理论分析相吻合，基于虚拟力的传统控制方法缺少对外界扰动的估计，抗干扰性和鲁棒性不如基于扰动辨识的智能控制方法。

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符号表

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 典型涵道飞行器介绍

1.3 涵道飞行器控制系统研究现状及分析

1.4 本文的主要研究内容

第2章 涵道飞行器系统建模

2.1 引言

2.2 涵道飞行器的原理和结构

2.3 动力学建模思想

2.4 运动分析

2.5 动力学分析

2.6 小结

第3章 基于虚拟力导向的分层控制体系

3.1 引言

3.2 分层控制体系的建立

3.3 稳定性分析

3.4 控制器设计总结

3.5 控制参数的设计方法

3.6 小结

第4章 基于姿态导向和扰动辨识的智能控制方法

4.1 引言

4.2 解耦控制框架

4.3 鲁棒自适应控制器设计

4.4 控制器设计总结

4.5 与传统分层控制体系的对比

4.6 小结

第5章 控制算法仿真验证

5.1 引言

5.2 仿真平台的选择

5.3 仿真参数的确定

5.4 基于虚拟力导向的分层控制体系仿真

5.5 基于姿态导向和扰动辨识的智能控制方法仿真

5.6 传统控制方法与智能控制方法的对比仿真

5.7 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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致谢