超小型旋翼机悬停状态下控制用数学模型的建立

摘要

我们现有的超小型旋翼机已初步实现在空中自主悬停，但当环境中风力过大时，仍很难保证其悬停的位置不发生明显偏移；为了实现超小型旋翼机视距外自主飞行，我们现有的飞控系统仍需改进，以适应复杂多变的外界环境。这就要求我们建立比较准确的超小型旋翼机机电控制系统数学模型，并以此为基础设计出具有鲁棒特性的高性能控制器。本文的目的在于利用系统辨识的方法获取悬停状态下超小型旋翼机的比较准确的数学模型，以供设计高效的控制器使用。 首先，本文根据牛顿．欧拉定理、空气动力学原理推导出超小型旋翼机的理论动力学方程，利用线性化小扰动理论得到超小型旋翼机在悬停状态下的线性化全量状态方程；然后，使用子空间法辨识超小型旋翼机在悬停状态下的动力学模型。依据此法，我们可以获得超小型旋翼机的一些重要的物理参数，同时可以在一定程度上了解超小型旋翼机的飞行原理。同时，为了满足实际设计控制器的需要，我们利用试飞采集到的悬停状态下超小型旋翼机的输入输出数据，辨识出其在悬停状态下各个通道独立的数学模型，并进行验证。 虽然我们得到的只是初步的实验结果，但其从一定程度上反映了超小型旋翼机的飞行特性，对飞行控制器的设计有一定的指导作用。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2项目背景

1.3超小型旋翼机建模方法简介

1、理论分析法

2、系统辨识法

3、两种建模方法的比较

1.4超小型旋翼机系统建模研究现状

1.5本课题的主要研究内容

第二章超小型旋翼机飞行原理的理论分析

2.1旋翼机和直升机

2.2超小型旋翼机动力学特征

2.3飞行器空间运动学方程

1、惯性坐标系与机体坐标系

2、质心平移运动方程

3、绕质心转动运动方程

4、飞行器一般运动学方程

2.4超小型旋翼机的简单的力学模型

1、建模假设

2、空气动力学模型

3、Bell-Hiller翼工作机理

4、主桨周期变距产生的俯仰和滚转力矩

5、主桨升力及形成的转矩

6、尾桨升力和偏转力矩

7、简单力学模型

2.5超小型旋翼机的动力学模型及工作机理

2.6结论

第三章子空间法辨识悬停状态下超小型旋翼机模型

3.1引言

3.2悬停状态下的线性化模型

3.3悬停运动模型的线性辨识

1、输入试验信号设计

2、指定状态变量的子空间识别方法

3.4结论

第四章系统辨识的前期准备

4.1系统辨识理论简介

1、系统辨识的理论及方法

2、系统辨识的参数模型

4.2实验设计

4.3飞行数据预处理

1、野值的识别、剔除和补正

2、低通数字滤波器设计

3、均值化处理

4、试验数据加密

5、数据平滑和微分平滑

4.4小结

第五章单输入/单输出模型参数辨识

5.1闭环系统的可辨识性

1、反馈通道上无扰动

2、反馈通道上有扰动

5.2俯仰通道

5.3滚转通道

5.4偏航通道

5.5结论

第六章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文和完成项目