气动干扰下的Hex-Rotor无人飞行器控制器及其飞行实验

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响,并给出了相应的解决方法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型,分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动,同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响。通过原型机验证了提出的方法,结果显示:Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大的外部环境中飞行时,水平位移跟踪误差不超过±4.5m,高度误差不超过±2.5m,姿态角度误差保持在±2°内,较大地增强了飞行器的抗扰能力。结果表明:采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子,从而提高Hex-Rotor飞行器的控制精度和效果。     

四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证

为了解决四旋翼飞行器在外界扰动影响和系统模型参数存在不确定性情况下的精确轨迹跟踪控制问题,设计并验证了一种四旋翼飞行器的非线性轨迹跟踪控制器。首先建立了考虑执行机构特性的四旋翼飞行器数学模型,并将虚拟控制量映射到了实际中对电机的控制;然后通过在反步法轨迹跟踪控制中加入积分项,设计了一种基于积分型反步法的非线性轨迹跟踪控制器,消除模型参数不确定性及外界干扰引起的误差,仿真结果验证了该方法的可行性;最后,利用QBall2四旋翼飞行实验平台,对所设计的非线性轨迹跟踪控制器进行验证,实际飞行实验结果表明了所设计控制器的有效性,提高了实际飞行过程中外界干扰和不确定性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的精度。     

四旋翼无人飞行器驱动系统设计与性能测试

针对动四旋翼无人飞行器的高动态、高效率驱动问题,对四旋翼无人飞行器驱动系统的硬件设计、动态模型、能量效率等方面进行了研究,提出了一种基于ATmega88微控制器及I2C总线技术的多旋翼飞行器驱动系统,利用升力测试平台对驱动系统的动态性能与能量效率进行了测试,通过系统辨识实验建立了PWM-旋翼升力动态模型,并分析了供电电压对模型参数和系统效率的影响。实验结果表明,该驱动系统带宽大于10 rad/s,且在每个旋翼300克升力输出时效率高达9 g/W,完全满足四旋翼无人飞行器的设计需要。     

旋翼间距对微型四旋翼无人机负载特性影响

结合雷诺平均N-S(Navier-stokes)方程以及Laminar层流模型建立了微型四旋翼无人机旋翼流场的三维模型,通过求解N-S方程的方法,研究了微型四旋翼悬停状态下不同旋翼间距对其气动特性的影响。旋翼升力测量实验以及非定常计算得到的仿真误差为8.17%,验证了仿真数据的有效性。分别对升力、力矩以及悬停效率进行分析,得到了旋翼间距3.8 r是最佳的微型四旋翼间距方案的结论;进一步对单旋翼以及不同旋翼间距的流场进行分析得出旋翼之间的气动扰动可以改变翼尖涡的强度,从而产生不同的气动特性。     

多旋翼飞行器动力学建模与控制系统设计

考虑到多旋翼飞行器多变量、欠驱动以及承载能力小等特点,设计了一种不增加旋翼尺寸,而提高升力的多旋翼。对多旋翼飞行器进行动力学建模,并对模型进行适当简化得出最终动力学模型。通过实验的方法测量出模型所需要的未知量。采用PID控制算法对模型进行matlab仿真实验,并得出结论。     

可变结构小型多旋翼无人飞行器的设计

针对现有的四旋翼直升机存在飞行速度低、航程短等问题,综合考虑了四旋翼可以垂直起降和固定翼能够长距离航行的特点,提出一种在四旋翼的基础上添加一对固定翼和涡扇推力电机的变结构无人飞行器,并给出三维建模;在水平飞行时机身两侧的双涵道涡扇和机翼共同向前倾斜以产生向后的推力和向上的升力。开发出该变结构无人飞行器样机,对飞行器固定翼进行流固耦合力学仿真分析,最后对变结构飞行器动力学建模。固定翼的单向流固耦合计算结果显示,设计的机翼升力满足设计要求。从截面翼型位置上分析有一定意义,证明最大应力并非在翼型的前缘或后缘,而是在上表面,同时也验证了CLARK Y翼面形状产生的升力在飞行过程中起主要作用。     

模糊自整定PID在四旋翼飞行器姿态控制中的应用

四旋翼飞行器的结构简单以及对飞行环境要求低的优势,使其应用极其广泛。四旋翼飞行器的姿态控制是决定飞行性能的关键,目前,应用较成熟的控制方法仍为PID控制,但是四旋翼飞行器的姿态之间存在非线性的耦合,使得控制参数整定有难度,PID控制器对其姿态的调整会出现较大的超调量,或者较长的调节时间。该文综合了模糊控制和PID控制各自优势,设计了模糊自整定PID控制器,能够实现参数的自整定。仿真结果显示,所设计的控制器能够有效抑制系统超调量,提高响应速度。     

基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。     

四旋翼自悬停系统的设计与实现

四旋翼飞行器作为低空低成本的遥控平台,在各个领域应用广泛。与其它飞行器相比,四旋翼飞行器的结构简单紧凑,而软件复杂。本课题在以STM32F103为控制核心的飞行器的硬件基础上,重点进行了四旋翼飞行器的软件设计。在软件设计中主要进行了四旋翼飞行器的飞行控制算法设计、加速度计的校正、陀螺仪零偏的抑制、四元数控制姿态的设计。并借助于Qt SDK软件平台进行了上位机监控系统的设计,最后通过软硬件的调试试飞表明,所设计的四旋翼飞行器能够完成垂直起飞、降落和稳定悬停。     

旋定翼结合的复合飞行器的动力学建模

对固定翼与四旋翼结合的复合飞行器进行了动力学分析,依据坐标转换关系,得到复合飞行器的非线性动力学模型.在悬停状态或者垂直起飞状态下,分别以旋翼升力和转矩作为控制输入量时,对所对应的系统传递函数进行了分析.最后使用PID控制器对模型的响应特征进行了仿真对比验证,得出以转矩为控制输入量时系统传递函数不存在耦合项,提高了模型的适应性和稳定性.     

Modeling and output tracking of transverse flux permanent magnet machines using high gain observer and RBF neural network

This paper deals with modeling and adaptive output tracking of a transverse flux permanent magnet machine as a nonlinear system with unknown nonlinearities by utilizing high gain observer and radial basis function networks. The proposed model is developed based on computing the permeance between rotor and stator using quasiflux tubes. Based on this model, the techniques of feedback linearization and H_∞ control are used to design an adaptive control law for compensating the unknown nonlinear parts, such as the effect of cogging torque, as a disturbance is decreased onto the rotor angle and angular velocity tracking performances. Finally, the capability of the proposed method in tracking both the angle and the angular velocity is shown in the simulation results.     

全角半球谐振陀螺控制回路的动态特性研究

全角半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的速率积分陀螺。 针对全角半球谐振陀螺闭环控制回路的系统带 宽问题,分析了全角半球谐振陀螺的工作原理,分别建立了全角半球谐振陀螺的输入-输出控制回路模型和扰动-输出控制回路 模型。 利用 SIMULINK 工具箱对两种模型进行了搭建和仿真研究,分析了两种控制回路的动态特性,最后进行了全角半球谐振 陀螺的转台实验。 仿真结果显示:外界输入角速度超过 532. 8°/ s 后,扰动信号导致的输出量波动达到最大且保持恒定,此时控 制回路的带宽为 1. 48 Hz。 仿真和实验结果表明:全角半球谐振陀螺控制回路的带宽过低会导致扰动信号引起椭圆参数的波 动,控制效果变差,且扰动信号频率与外界输入转速成正比,当外界输入转速超越控制回路截止频率的对应转速后,椭圆参数的 波动幅值趋于稳定。 本文的研究成果为全角半球谐振陀螺的动态性能分析提供了理论基础。     

Effect of variation of angular velocity in gear rolling process on profile error

In the gear generating method, such as the hobbing method; the variation of angular velocity becomes a cause of involute profile error. This study deals with the effect of the variation of angular velocity in gear rolling on the tooth profile error. The fluctuation of center distance is one of the phenomena in rolling. This phenomenon has not been clarified in relationship with the profile error. It is assumed that the fluctuation of center distance induces the variation of angular velocity. In this experiment, the steel belt was set between the tool and work gear, and the variation of angular velocity in rolling was detected as a change of the tension on the belt. The angular velocity between the tool and work gear varies slightly by the period of the normal pitch between contact teeth. In the next step, the effect of this variation of the tooth profile error was theoretically revealed.

The following results were obtained.

The variation of angular velocity is based on the rolled profile error. The amplitude of the variation corresponds to the difference of the amount of plastic deformation between the driven side and the follower side of the rolled tooth.     

基于FLUENT的出口球阀内部流场动态数值模拟

基于FLUENT软件利用动网格及UDF技术,对内压缩转子式油气混输泵出口球阀进行了动态数值模拟.动态仿真结果表明：随着阀球密度的增加,阀球上升速度减慢,阀隙压力变化减小;在球阀开启初始阶段,阀球受力脉动较大,随着开启过程的进行,阀球受力逐渐减小且趋于稳定;阀球的升程越高,变化梯度越大,阀球密度越小,升程变化越快.该动态数值模拟更真实的揭示了阀球比重与球阀受力、升程变化的内在规律.     

一种现场修正烧结机转子平衡状态的方法

为避免烧结机转子在现场修复过程中平衡状态破坏导致机组振动异常,本文提出一种现场修正烧结机转子平衡状态的方法。该方法综合考虑转子在整体结构、阻尼、支撑刚度、角速度等不变的条件下,轴承箱的壳体振动速度与扰动力的角度不变的特性,运用刚性转子重量、加重半径、加重重量的关系,采用现场动平衡质量校正技术,保障机组可正常稳定运行。     

含多级油缸的液压举升系统智能PID控制研究

给出了应用电液比例技术对多级液压缸驱动的攀升系统进行闭环速度控制的方法，在常规PID控制的基础上，引入了自适应神经元对PID控制参数进行在线调整，实现了对多级缸系统运动过程的智能控制。该方法保持了常规控制方法结构简单、易于实现的特点，同时可以更好地适应系统参数时变和外部干扰的影响，提高了控制精度。仿真结果表明，智能PID控制效果优于常规控制方法。     

用变惯量飞轮实现往复式压缩机速度波动的调节

提出一种变等效转动惯量飞轮的设计方法。将微型飞轮安装在与往复式压缩机曲轴保持变速比的固定轴上，通过非圆齿轮传动实现轴与曲轴之间的变速比传动，不仅能完全消除曲轴的速度波动，而且能平衡输入扭矩的波动，减少飞轮自身质量和转动惯量。     

用变惯量飞轮实现往复压缩机速度波动的调节

提出了一种变等效转动惯量飞轮的设计方法。将微型飞轮安装在与往复压缩机曲轴保持变速比的固定轴上。通过非圆齿轮传动实现轴与曲轴之间的变速比传动，这不仅能完全消除曲轴的速度波动．而且能平衡输入扭矩的波动，减少飞轮自身的重量和转动惯量。     

基于全速域混合控制的同步磁阻电机无传感器矢量控制系统

针织大圆机的特殊运动状态要求其驱动电机具有较大的启动和带载能力以及较高的稳态运行精度,同步磁阻电机是一种应用于针织大圆机的理想电机,但现有同步磁阻电机无传感器控制,存在转子位置估计误差大、速度切换不平滑等问题。对此,提出一种基于全速域混合控制的同步磁阻电机无传感器矢量控制系统,零速和低速时采用脉振高频电流注入法,通过在估计坐标系的d轴注入一个幅值恰当的高频电流信号,使用估计q轴的高频电压信号估计转子位置;中速和高速时采用模型参考自适应法,通过建立数学模型并对其进行稳定性分析来估计转子位置;为了实现零速和低速到中高速的速度切换,提出一种改进的过渡区域融合观测方案,采用正弦型饱和函数代替传统的线性切换函数进行位置融合。为了验证方案的有效性,搭建了平台进行测试。由结果表明,该方案启动过程带载能力强,切换过程平滑且稳定,稳态运行过程波动小,是一种较适合大圆机电机驱动的无传感器矢量控制方法。