仿生扑翼微型飞行器姿态控制方法研究

摘要

扑翼微型飞行器(Flapping Wing Micro Aerial Vehicles,FWMAVs)是目前乃至未来微型飞行器发展的热门领域。FWMAVs只靠两个翅膀的运动就能同时产生升力和前进力，大大简化了机体结构，而且具有很好的隐蔽性。姿态控制是FWMAVs研究的重要内容，它不但影响着机体的机动灵活性，而且是飞行器实现避障、导航、轨迹规划等功能的基础。因此，本文对FWMAVs姿态控制方法进行研究，主要内容如下： （1）FWMAVs的飞行机理与昆虫非常相似，因此首先对昆虫的高升力产生机理进行详细说明，包括：Clap-Fling机制、延时失速机制、旋转环流效应、尾流捕获效应和附加质量效应。合适的坐标系统在飞行器的动力学建模中是必不可少的，因此随后建立了FWMAVs动力学建模中常用的坐标系统，并推导出各坐标系之间的转换矩阵。 （2）FWMAVs在飞行过程中主要受到三个方面的力：自身重力、翅膀产生的气动力和空气阻尼力。其中飞行器的自身重力不产生力矩的作用，而空气阻尼力和翅膀气动力则会对机体质心产生力矩的作用。因此，对已有的FWMAVs的翅膀气动力和气动力矩、机体阻尼力和阻尼力矩进行了总结和研究，建立了FWMAVs姿态动力学模型，并给出了姿态控制系统的一般数学描述形式。 （3）研究了一种双闭环积分滑模自适应控制方法。对双闭环积分滑模控制方法进行了改进，在内环控制中采用自适应积分滑模法对控制器进行设计，设计了滑模增益的自适应律。滑模增益可以根据滑模函数的变化而自适应地变化，不需要再对模型中存在的参数摄动、外界干扰和未建模动态等不确定项的上界做出假设。在MATALB/Simulink环境中搭建仿真模型并对控制器进行仿真验证。 （4）研究了一种基于非线性干扰观测器的鲁棒反演控制器，将系统中的参数摄动、外界干扰和未建模动态等不确定项分离出来，采用反演法对标称系统进行控制器设计，然后采用非线性干扰观测器观测系统中存在的干扰和不确定项，并对系统进行补偿控制。在MATALB/Simulink环境中搭建仿真模型并对控制器进行仿真验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外扑翼飞行器研究现状

1.2.2 国内扑翼飞行器研究现状

1.2.3 扑翼飞行器控制技术研究现状

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第二章 扑翼飞行器飞行机理与坐标系统

2.1 昆虫高升力机理

2.1.1 Clap-Fling机制

2.1.2 延迟失速机制

2.1.3 旋转环流和尾流捕获效应

2.1.4 附加质量效应

2.2 坐标系统

2.2.1 扑翼结构介绍

2.2.2 坐标系统的建立

2.2.3 坐标系间的转换关系

2.3 本章小结

第三章 扑翼飞行器动力学模型

3.1 引言

3.2 扑翼飞行器机体动力

3.2.1 翅膀气动力和气动力矩

3.2.2 机体阻尼力及阻尼力矩

3.3 扑翼飞行器动力学方程

3.3.1 绕质心转动的动力学方程

3.3.2 绕质心转动的运动学方程

3.4 扑翼飞行器转动动力学模型

3.5 本章小结

第四章 基于双闭环积分滑模自适应技术的FWMAVs姿态控制

4.1 引言

4.2自适应控制原理

4.3 滑模控制的基本原理及设计方法

4.3.1 滑模控制的基本原理

4.3.2 滑模控制器设计方法

4.4.1 动力学模型

4.4.2 外环积分滑模控制

4.4.3 内环积分滑模自适应控制

4.5 控制器仿真分析

4.5.1 定姿态跟踪控制仿真

4.5.2 时变姿态跟踪控制仿真

4.6 本章小结

第五章 基于干扰观测器反演法的FWMAVs姿态控制

5.1 引言

5.2 反演控制的基本原理

5.3 干扰观测器

5.3.1 线性干扰观测器

5.3.2 非线性干扰观测器

5.4 基于非线性干扰观测器的反演控制器

5.5 控制器仿真分析

5.5.1 定姿态跟踪控制仿真

5.5.2 时变姿态跟踪仿真

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果