单翼损坏下的四旋翼飞行控制器设计

针对发生单翼损坏故障时四旋翼飞行器的常规控制失效问题,用反步法设计保证飞行器安全和一般飞行控制的控制器.根据单翼损坏下四旋翼飞行器的旋转与平移运动方程,将控制器划分成内、外环,使用反步法设计这两个环路.内环控制飞行器姿态,外环控制飞行器位置.用反步法设计此种控制器时牺牲飞行器的偏航控制能力,但能实现飞行器一定程度的正常飞行.即能实现飞行器以恒定速度绕其垂直轴转动,机体保持水平同时空间位置不变的近悬停状态,也能通过指令信号实现飞行控制和位置跟踪.经过仿真验证,证实了该控制器对单翼损坏故障下的四旋翼飞行器的飞行控制的有效性,飞行器的稳定性能良好.结果表明,偏航控制能力的丧失不会对四旋翼的安全造成威胁,也不会对飞行器的轨迹跟踪造成较大影响,即保证飞行器能在以恒定速度绕垂直轴转动的情况下进行稳定飞行,同时还能以较快速度跟踪简单的期望轨迹.该研究证实了单翼损坏下的四旋翼飞行器的飞行仍具有可控性.     

探究多旋翼飞行器建模与飞行控制技术

多旋翼飞行器由于自身结构十分简单,具有良好机动性能,在军事及军事领域内具有良好应用价值,得到了研究人员高度关注,已经成为国际主要研究热点.但是国内在对多旋翼飞行器自主飞行控制分析研究上面时间较短,与发达国家之间存在较大差距,无法对多旋翼飞行器飞行进行精确性控制.所以,对多旋翼飞行器结构及飞行方法研究中,还需要深层次研究.本文结合多旋翼飞行器建模与飞行控制技术所存在的问题,以多旋翼飞行器作为研究对象,从建模及飞行控制技术层面进行研究.     

无人倾转旋翼飞行器冗余操纵控制策略设计

根据所建立的无人倾转旋翼飞行器飞行动力学模型配平和小扰动线性化处理结果分析了不同飞行模式下的操纵效率,应用多目标非线性控制方法的目标优化函数性能指标得到了操纵效率矩阵系数,设计了一套实用的舵面驱动分配策略,实现了飞行器全模式飞行,解决了飞行控制随飞行模式变化所要求的操纵冗余问题．采用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计控制器,有效降低了飞行控制器的设计难度．给出了一个全模式飞行仿真样例,运用线性PID控制器实现了稳定飞行控制．利用倾转旋翼飞行器飞行动力学模型仿真验证了操纵分配策略的有效性．     

变体飞行器传感器故障在线主动容错控制

为保证变体飞行器在传感器故障情况下的稳定飞行性能和良好跟踪效果,提高故障诊断准确度和容错控制能力,针对变体飞行器传感器故障诊断与容错控制问题,提出一种基于考虑属性可靠度的置信规则库(BRB-r)专家系统在线主动容错控制方法。首先,给出变体飞行器的气动参数模型和纵向非线性动力学模型,综合考虑外界扰动和传感器故障,利用最小二乘拟合方法和雅克比线性化方法,建立变体飞行器的切换线性变参数(LPV)故障模型；然后,基于BRB-r专家系统构建变体飞行器传感器故障诊断与容错控制模型,通过统计方法对传感器监测指标进行可靠性分析,并引入证据推理(ER)解析算法,提高故障诊断精度和容错控制效果；最后,利用基于投影算子的协方差矩阵自适应优化策略(P-CMA-ES)算法优化故障诊断与容错控制模型,降低系统的复杂度,提高了故障诊断效率。仿真结果表明,变体飞行器传感器故障诊断精度能够达到98.75%,当传感器故障程度小于50%时,所提方法能够有效克服传感器故障和外界扰动,保证变体飞行器的稳定飞行,具有较强的容错控制能力和鲁棒性能。     

液压旋翼飞行机械臂系统建模与控制方法

在旋翼飞行机器人上加装机械臂而得到一种新的飞行机器人系统,扩展了旋翼飞行机器人的应用范围。本研究将小型液压机械臂系统应用到已有的旋翼飞行机器人上,通过分析无人机与机械臂的运动耦合,得到悬停模式下液压旋翼飞行机械臂系统的整体动力学模型;用LQR控制器控制机械臂完成平面内摆动动作;将机械臂运动对机器人本体的影响作为扰动进行考虑,并采用鲁棒控制器来稳定旋翼飞行机器人悬停时的位姿。通过仿真验证了本文所述模型结构与控制策略的有效性。     

基于非线性分离的可倾转四旋翼LQR飞行控制研究

本文研究了一种能够独立控制位置和姿态的可倾转四旋翼飞行器,在建立了系统动力学模型的基础上,针对可倾转四旋翼飞行器系统存在的强输入非线性问题,采用了非线性分离策略,构造中间控制量,将该强非线性系统分离为线性动态环节和非线性静态环节,并仅针对线性动态环节设计了计算量小、易于硬件实现的线性二次型调节器(LQR),然后再通过反解输入非线性环节将中间控制量分配到实际的控制量——旋翼倾转角和电机转速.仿真实验结果表明,基于非线性分离策略设计的LQR飞行控制器能够实现对可倾转四旋翼稳定控制,很好地独立追踪位置和姿态期望.     

四旋翼飞行器控制系统的设计与实现

为了解决四旋翼飞行器的飞行控制问题,设计了一种基于位置式比例积分微分(PID)算法的飞行控制系统.该控制系统以MSP430f149处理器为中央处理器,以MPU-6050传感器为惯性测量器件.在搭建的姿态控制平台上,为了实现控制系统的稳定飞行,结合四旋翼飞行器的飞行原理对传感器输出的姿态角进行PID控制,然后将PID控制器的输出信号与电机的基本油门相结合,用以调节4路脉冲宽度调制(PWM)信号占空比的方式来控制电调电路,再由电调驱动电机并控制电机转速.结果表明,俯仰角、横滚角、偏航角的误差均小于1°,验证了PID算法对四旋翼飞行器姿态角控制的有效性,保障了飞行器自稳定控制的鲁棒性.     

面向执行机构故障的四旋翼无人机主动容错飞行控制方法研究

四旋翼无人机在执行高负荷、长航时任务时,桨叶的疲劳断裂易导致无人机失控甚至坠毁。针对这一问题,提出了一种基于积分滑模控制的四旋翼无人机主动容错飞行控制方法。首先通过运动学和动力学分析建立了执行机构故障时无人机的非线性模型,再构造观测器对执行机构故障进行实时观测,并据此设计积分滑模控制律对无人机的位置和姿态控制回路进行补偿。数字仿真和飞行实验结果均表明所给出的方法具有较强的容错能力,在单只桨叶部分断裂的情况下,该方法可有效地实现无人机的位置和姿态稳定并具有良好的动、静态特性。     

基于Q学习的变体无人机控制系统设计

针对变体无人机的控制问题,给出了Q学习控制方法。首先根据设计任务要求设计控制律控制变体无人机按给定航路完成飞行。同时根据飞行环境和飞行任务的变化,利用Q学习方法控制变体飞行器相应地改变外形(平直翼、小前掠翼、大前掠翼),使变体飞行器能始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境里执行多种任务(如巡航、机动、盘旋、攻击等)的要求。仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。     

基于STM-32的自动四旋翼飞行器设计

通过研究四旋翼飞行器的结构特点、姿态解算算法及其飞行控制原理,设计了以STM-32系列微控制器为核心的自动飞行系统,包括硬件电路设计和程序算法设计.试验测试表明,该系统能够在搭建的狭小空间主动避开障碍,实现稳定飞行.     

交变磁场下盘型磁流变流体阻尼器的动力特性

为了掌握交变磁场对基于剪切方式的盘型磁流变（MR）流体阻尼器动力特性的影响，试验研究了正弦磁场下支承在盘型磁流变流体阻尼器上的柔性转子系统的动力特性.通过测量不同磁场频率和强度下转子系统的运动轨道、振动时间历程和不平衡响应曲线，并与恒定磁场下的结果进行了比较.结果发现，磁场的频率对盘型磁流变流体阻尼器的动力特性有着显著的影响.随着磁场频率的增大，盘型磁流变流体阻尼器抑制转子振动的能力减小.当磁场的频率高于一个临界频率后，转子系统的动力特性与无磁场时的动力特性相同，正弦磁场不能够控制磁流变流体阻尼器的动力特性.磁场强度越大，正弦磁场的临界频率越高.     

Robustness assessment for flight control system of an oceanographic unmanned aerial vehicle

A post-design robustness assessment for the longitudinal flight control system of an oceanographic unmanned aerial vehicle (UAV) is presented in this paper. Two novel systematic approaches of generating the linear fractional transformation (LFT) model directly from nonlinear equations are proposed for this particular robustness analysis problem. The closed-loop system combined with each controller is used to determine combinations of aerodynamic parameters that result in worst-case performance. Classical simultaneous gain and phase margin stability metrics currently used in the aerospace industry are introduced for the certification of robustness of this uncertain multivariable system. The results show that the control system remains stable and achieves desired performance for all possible parameter variations over a specified range in both frequency domain and time domain.     

基于磁链估计的PMSM无传感器矢量控制

针对永磁同步电机的无传感器矢量控制,利用对磁链的估计,提出了一种转子位置、速度的估计方法.该方法通过测量的相电流和端电压估计电机的定子磁链,再利用定子磁链对估计位置进行校正.针对二阶多项式曲线拟合位置估计方法所存在的问题,又提出了引入锁相环结构来减小稳态估计误差.理论分析和仿真结果表明,所提出的永磁同步电机无速度传感器控制方法在低速和高速时都能精确辨识出转子的位置和速度,系统具有较好的鲁棒性和良好的动静态运行性能.     

精密转台的离散变结构控制

针对传统变结构控制的抖振现象及变结构控制应用于离散系统时易失去其鲁棒性的问题,提出了一种新的离散变结构控制方法.此方法采用了带调整参数的递归式切换函数并针对不确定因素设计了无须知道扰动上界的估计器.将该方法应用于精密转台的控制系统,仿真结果表明此方法对参数摄动及外界干扰具有良好鲁棒性,而且可有效消除系统的抖振现象.     

基于二阶滑模的电动汽车感应电动机速度辨识

针对电动汽车电动机驱动系统在恶劣的运行环境中对速度精度要求较高的问题,提出了基于二阶滑模观测器的速度辨识方法.观测器以转子磁链和定子电流为状态变量,通过输入等效控制量,使解耦系统最终稳定在设计的两个滑模超平面上,从而实现对转子速度的估计和转子电阻的在线辨识.引入超螺旋算法将传统的开关式滑模控制变为连续控制,大幅度降低了系统抖振,提高了观测精度.仿真结果表明,该观测器在全速范围具有良好的动态性能和较高的观测精度,满足驱动系统要求.     

风电机组气动载荷控制策略

针对风电机组在风切效应影响下,较大尺寸的桨叶会加剧风轮所承受的不平衡气动载荷问题,提出了基于改进离散模糊控制的同步变桨距和基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨距联合控制策略.通过主动变桨距控制来实现风电机组输出功率的稳定,同时降低风轮所承受的轴向气动载荷.仿真结果表明,此联合控制策略在风电机组的额定工作区间,不仅可以使风电机组的输出功率稳定在额定功率附近,而且还可以有效地抑制其轴向气动载荷,也直接证明了所提出的控制策略的有效性.     

风力机风轮设计中风速的处理

风力发电是风能利用的最好形式.随着单机容量的不断增大，风力机的整体尺寸也越来越大，包括塔架高度.一般情况下，无穷远来流风速随高度的增加而逐渐增大.所以在设计大功率水平轴风力机风轮时，风轮设计者是否要考虑无穷远来流风速在铅垂高度等于直径的范围内的速度梯度将是一个值得注意的问题.为准确计算风轮的气动特性，就必须针对这一速度变化范围用合理的方法给定设计风速.分析并证明了用风轮中心处的速度作为设计风速是相当合理的.     

导航系统多模变结构智能控制研究

针对传统无人机导航控制的局限性,提出基于多模变结构智能控制策略的导航控制系统．在飞行导航控制系统内建立不连续控制结构,当系统状态发生变化时,启用不同控制结构以获得优良的控制品质,同时系统具有较强的对系统参数摄动不敏感性以及风场扰动抑制能力,系统鲁棒性强．采用数字控制技术,系统工程实现简单且可靠性高．     

基于递归小波神经网络的UAV姿态变结构优化控制

无人机的姿态控制易受外界气流干扰和模型参数摄动影响,为了提高其姿态控制的精度和稳定度,提出了将变结构控制与递归小波神经网络相结合的优化鲁棒控制律.构建并分析了无人机的姿态运动模型,采用变结构控制来设计无人机姿态运动的稳定控制律,将递归小波神经网络加入到控制闭环回路中以实现变结构控制律的优化,减弱控制律对模型准确度的依赖性,并在仿真验证中与传统方法进行了比较.结果表明,该控制律能够提高其姿态控制的稳定性,且具有较强鲁棒性、较短收敛时间和较小能量消耗,从而证明了本文方法的有效性和可行性.     

AUV平面直线航迹跟踪控制算法

针对自主水下航行器（AUV）在平面直线航迹跟踪过程中的航迹超调问题,设计基于航向航速双闭环运动控制的航迹跟踪控制算法. 跟踪算法以视线导引法（LOS）为基础,设计时变前视距离提高AUV的机动性,并以一阶惯性滤波抑制因航向切换产生期望航向角的阶跃变化. 控制算法采用抗积分饱和PID控制及参数自适应,以增加算法的鲁棒性,并将航向航速控制设计成双闭环,使得 AUV航行时期望航迹段终点的距离偏差实时调整期望航速. 结果表明,此航迹跟踪控制算法根据距离偏差调节实时航速,可使AUV提前减速以低速转向,抗积分饱和可避免航速超调,参数自适应以适应多种航行工况. AUV能准确跟踪期望航迹,最大航迹偏差小于1.0 m,并且大角度转向时可有效减小航迹超调.