碟型涵道式无人机总体设计及飞行控制系统理论与仿真研究

摘要

碟型涵道式无人机采用涵道风扇作为主要的升力系统,具有垂直起降与悬停特点,与传统的无人机相比,在气动布局、结构设计以及飞行控制等方面均存在较多的问题。这种构型的飞行器稳定性比较差,需依靠飞控系统来解决。
　　本文主要对碟型涵道式无人机特殊的气动外形,对其设计过程中所涉及到的关键技术进行了系统深入的理论与仿真研究,重点进行了飞控系统的鲁棒控制理论的应用研究,探索了相应的混合鲁棒控制方法,并将此方法应用到碟型涵道式无人机飞行姿态控制系统中。具体的研究内容主要包括:
　　1、在综合参考了国内外涵道式无人机总体构型以及设计参数的基础上,对碟型涵道式无人机进行总体设计。确定了碟型涵道式无人机采用单旋翼加三组控制舵片,外加涵道环括的结构形式。其主要的飞行动力由涵道风扇提供,目前,涵道风扇的气动设计理论尚不完善,本文结合滑流理论、叶素理论和涡流理论建立了涵道风扇的计算模型、机体各部件的气动模型,以及悬停与前飞的气动模型并进行了飞行性能分析。本文建立的气动模型有助于解决涵道式无人机低雷诺数导致其气动特性复杂性的问题,弥补涵道风扇气动设计上的缺陷,为碟型涵道式无人机总体设计打下了基础。
　　2、建立了整机飞行动力学模型和姿态运动模型,应用小扰动原理在悬停状态下对飞行动力学模型进行了线性化解耦,得到了易于分析的线性模型。由于碟型涵道式无人机构型特殊、质量轻、转动惯量小,导致它极易受到各种环境的干扰。同时其独特的气动外形使得气动参数呈非线性强耦合性等特点。上述特点给碟型涵道式无人机飞控系统的设计带来很大的难度,本文针对碟型涵道式无人机的上述特点建立了动力学模型,对飞行控制系统的设计起到关键性的作用,为设计鲁棒控制器奠定了基础,具有一定的理论价值和实用价值。
　　3、针对碟型涵道式无人机独特的气动外形,要求它的控制器必须十分稳健以便能免承受侧风等众多不确性因素的干扰。用线性矩阵不等式LMI的方法研究了混合多目标H2/H∞鲁棒控制问题,设计了H2/H∞鲁棒控制器。最后通过仿真验证,H2/H∞鲁棒控制器能有效解决飞行控制多种性能指标的混合控制问题,具有很好的鲁棒稳定性和令人满意的动态性能,提高飞行器的抗干扰性和可操纵性。
　　4、将混合的PID/H∞鲁棒控制的设计方法应用在碟型涵道式无人机飞控系统中。内回路采用具有二次稳定的H∞鲁棒控制器,飞机模型则采用区间模型描述,外回路利用PID控制的设计方案,保证了被控对象参数摄动情况下系统稳定并且有一定的动态性能。该设计方法解决了系统矩阵和控制矩阵参数不确定性同时存在时的控制问题。通过仿真分析,发现在混合尸PID/H∞鲁棒控制器作用下,系统能够很好的跟踪姿态指令,说明该控制器具有很强的鲁棒性,并且可以看出此时系统对噪声干扰具有很好的抑制效果。
　　5、在Vi sualC++开发平台下,利用Simulink和FlightGear开发了一个虚拟现实的飞行仿真系统,采用Simulink进行了模块化设计,在Matlab中进行串行通信。无人机的三维实景仿真采用局域网通信和数学仿真模块通信,以获得无人机的数学仿真数据。自动驾驶仪根据一定算法,完成一定的动作后,发出舵机控制指令,作为反馈信号传回给Simulink模型,从而使飞行姿态改变。实践证明可视化仿真技术应用在飞控系统中,可对飞机飞行过程中的各种特性进行仿真,使系统的本质特性通过虚拟样机逼真地表现出来。从实时仿真结果来看,实时性满足要求,与纯数字仿真结果基本一致,进一步提高了系统的精确性和可靠性。
　　综上所述,本文对碟型涵道式无人机总体设计与控制系统仿真进行了深入的研究,针对碟型涵道式无人机特殊的结构外形,在飞行过程中易受各种不确定性因素干扰的情况,使用多种控制方法对控制律进行了设计和改进。仿真结果表明,所设计的控制系统能提高飞行器的抗干扰性和可操纵性。并且具用很强的鲁棒性以及对噪声干扰具有很好的抑制效果。本文所获得的理论与仿真研究成果对碟型涵道式无人机的设计具有重要的参考价值。