升力转换式无人机飞行模式转换控制方法研究

摘要

升力转换式无人机是一种既能垂直起降、低速悬停又能高速巡航的新构型飞行器，由于兼顾了直升机和固定翼的优点，使其快速成为无人机研究领域的热点。飞行模式转换是升力转换式无人机的重要飞行环节，是实现低速悬停和高速巡航之间相互转换的桥梁。由于飞行模式转换是一个大机动、高度非线性的多输入多输出系统，使其控制系统设计面临着巨大的挑战。本文以实验室自主设计的样例升力转换式无人机为对象，研究并探索了飞行模式转换的控制方法并进行了试飞试验，从工程的角度验证了飞行模式转换的可行性，为升力转换式无人机飞行模式转换控制技术研究奠定了基础。
　　首先，介绍了样例升力转换式无人机的结构特点，利用模块化建模方法建立了其六自由度非线性数学模型，并在Matlab中验证了模型的正确性；在模型线性化的基础上分析了飞行模式转换过程的稳定性变化，为后续过渡走廊的建立和控制律的设计奠定了基础。
　　其次，分析了飞行模式转换过程中的操纵策略，确定了飞行模式转换的初始条件，并建立了过渡飞行走廊；对其非线性模型进行简化分析得到了过渡段的纵向子系统模型；在此基础上对飞行模式转换过程中不同飞行状态下的纵向增稳控制、俯仰角跟踪控制、飞行速度跟踪控制进行控制律设计与仿真。
　　再次，针对飞行模式转换过程中飞行器气动参数变化并且存在不可预知的干扰因素问题，本文提出了用L1自适应跟踪控制方法来优化飞行模式转换过程的姿态和速度跟踪控制效果，并提高系统的鲁棒性；通过仿真实验验证了L1自适应跟踪控制方法在飞行模式转换过程中的可行性和优越性。
　　最后，通过分析飞行控制系统的软硬件需求，设计了一款由DSP和ARM组成的高性能双核控制器，并选取了执行机构与传感器系统；设计了数据采集软件、飞行控制算法软件和遥控遥测系统软件；完成了飞行模式转换的试飞试验，验证了所设计的飞行模式转换控制律和飞行控制系统的可行性和有效性。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 升力转换式无人机国内外研究现状

1.3 飞行模式转换控制技术研究现状

1.4 本文研究内容及安排

第二章 样例升力转换式无人机建模与分析

2.1 坐标系定义

2.2 样例升力转换式无人机

2.3 样例升力转换式无人机建模

2.4 样例升力转换式无人机线性化模型

2.5 样例升力转换式无人机稳定性分析

2.6 本章小结

第三章 飞行模式转换分析与控制律设计

3.1 飞行模式转换操纵方案设计

3.2 飞行模式转换过渡方案设计

3.3 过渡段模型简化

3.4 飞行模式转换控制律设计

3.5 本章小结

第四章 飞行模式转换自适应控制律设计

4.1 过渡过程控制问题描述

4.2 过渡段L1自适应控制器设计

4.3 过渡段L1自适应控制仿真实验

4.4 本章小结

第五章 升力转换式无人机控制系统实现与飞行试验

5.1 飞行控制系统硬件总体设计

5.2 飞行控制系统软件设计

5.3 升力转换式无人机飞行试验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文