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.     

基于一致性理论的多旋翼飞行器编队控制方法

针对多架旋翼飞行器敏捷编队控制的问题,提出一种基于一致性理论的多旋翼飞行器编队控制方法.首先,通过图论的方法构建了飞行器编队的通讯拓扑结构,建立了平移和旋转动力学模型,利用有向图表示编队中个体和个体之间的作用关系.其次,结合拓扑学中的图论和传统控制方法,给出了一种包含位置控制和姿态控制的分布式编队控制器设计思路,用于实...     

一种舰载系留多旋翼无人飞行器系统的设计思路

无人机在未来军事方面有着无可匹及的作用,而通过与舰艇的结合更是得到广泛海军的认可.本文在这种背景下对舰载系留多旋翼无人飞行器进行了初步探讨,针对系统组成、关键技术、研究方案等提出一些看法.     

三旋翼飞行器的建模及其姿态自抗扰控制

根据国内外旋翼飞行器的研究现状以及三旋翼飞行器的机械结构,对三旋翼飞行器进行力矩分析,建立数学模型。采用自抗扰控制方法对三旋翼飞行器的姿态角进行姿态控制,通过Matlab仿真与PID控制方法的对比试验,以及跟踪不同数值大小的阶跃响应信号进行分组仿真。仿真结果表明,自抗扰控制算法具有有效性和快速性,分组试验表明针对不同大小的阶跃信号,可采用不同的参数进行调节。结果表明：该方法既具有良好的滤波性与鲁棒性,又保留了PID控制的大体框架与结构简单等优势,在工程和之后的试验中有一定的指导价值。     

四旋翼无人飞行器控制律设计与仿真

四旋翼无人飞行器已经得到了广泛应用,其控制律设计的重要性日渐凸显。在构建四旋翼飞行器六自由度动力学模型的基础上,分别设计了基于PID控制和线性自抗扰两套控制律。首先给出基于PID控制的四旋翼控制律,对四旋翼的各个通道设计PID控制律,并进行六自由度仿真分析,随后给出基于线性自抗扰控制的四旋翼控制律,针对每个通道设计自抗扰控制回路,进行六自由度仿真分析,基于仿真结果对两者的控制效果进行对比,最终结果表明自抗扰控制方法可以有效地抑制超调且响应速度更快。     

四旋翼无人飞行器ADRC-GPC控制

针对四旋翼无人飞行器的姿态控制系统,需要研究先进控制策略来达到满意的性能.将自抗扰控制(ADRC)与广义预测控制(GPC)相结合,设计一种新型自抗扰广义预测控制器(ADRC-GPC),利用ADRC中的扩张状态观测器(ESO)来估计和补偿非线性系统的模型不确定性以及外部扰动作用,将原始对象模型转化为积分器形式,然后针对积分器设计广义预测控制器.阶跃响应系数矩阵能被解析地求解出来,可有效地解决广义预测控制计算量大的问题.研究结果表明:所提出的ADRC-GPC控制方法能够对四旋翼无人飞行器姿态系统进行实时控制,可满足控制精度及快速性要求,并能有效地克服系统的外部干扰和多变量耦合作用.自抗扰广义预测控制器能够有效地控制欠驱动非线性多变量系统.     

四旋翼微型飞行器设计

针对常规无人飞行器尺寸较大,无法适用于室内狭小空间飞行的问题,设计了一种四旋翼微型飞行器.建立了微型飞行器的动力学模型,介绍了组成飞行器的相关硬件.构建了由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的姿态测量系统,给出了姿态解算的具体步骤.使用了互补滤波器对陀螺测量误差进行矫正,并给出了互补滤波器融合系数的确定方法.采用基于欧拉角反馈的PID控制器进行姿态控制,无需建立复杂的控制系统模型.该飞行器最大尺寸15 cm,重量22g,可垂直起降和悬停,适用于狭小空间的侦察任务.     

基于模型参考自适应的四旋翼飞行器反步控制

针对四旋翼飞行器易受干扰的问题,本文提出了一种基于模型参考自适应的反步控制方法,在外界气流干扰和内部参数不确定的情况下,保证四旋翼飞行器稳定平滑地跟踪参考信号。将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为水平位置控制子系统与高度和姿态控制子系统,并对两个子系统分别设计反步控制器,然后在高度和姿态控制子系统应用模型参考自适应控制,提高该子系统的抗干扰性能,从而进一步改善水平位置控制性能,同时采用Lyapunov稳定性理论,证明整个闭环系统渐近稳定。仿真结果表明,该算法能够有效抑制外界气流干扰,对负载不确定性具有较强的自适应能力,有效提高系统的稳定性和抗干扰性能。该研究具有一定的理论和实际应用价值。     

六旋翼飞行器的设计与制作

六旋翼飞行器是有着多个对称分布在机体四周,正反转对称的旋翼,该类飞行器普遍采用电能驱动,具有结构简单、飞行稳定、易于操作等的特点,非常适合于执行中短距离的飞行任务。     

基于滑模控制的四旋翼飞行器鲁棒三维轨迹跟踪

近年来,无人自主飞行器在军事和民用的众多领域引起了人们的关注,而其轨迹跟踪任务一直是一个热门研究课题。本文提出了一种鲁棒滑模控制,用于控制四旋翼无人机在存在扰动和参数不确定的情况下进行三维轨迹跟踪。首先,建立了一个具有6个方位的四旋翼飞行器的非线性动力学模型。然后,设计了针对质量、惯性和刚度不确定因素的滑模控制器。通过在Matlab Simulink和Universal Mechanism软件系统中进行建模模拟,验证了控制器的三维跟踪效果。最后,使用Pelican四旋翼平台进行了进一步的实验验证,在水平和垂直轴上施加扰动以验证其鲁棒性。仿真和实物验证结果都表明,四旋翼飞行器对特定轨迹的跟踪效果和鲁棒性是令人满意的,证实了所提出的滑模控制算法的正确性和有效性。     

倾转旋翼机飞控系统软件模块化设计

倾转旋翼机融合了定翼机与直升机的优点,它可以像直升机一样垂直起降和悬停,也可以像定翼机一样以较高速度进行远程飞行.本文主要对倾转旋翼机的飞行控制系统软件进行设计.首先介绍了飞控系统的硬件构成.然后对飞控系统的功能进行划分.最后根据功能将其分为过渡过程控制、飞行控制、遥控、遥测、导航和失控检测六个模块,并进行详细设计,给出了设计的程序流程图     

一种民航飞机液压伺服控制试验台的研制

重点介绍了民航飞机液压系统伺服控制组件维修所需的液压伺服控制台的系统设计思想、主要技术指标、系统组成和信号标定等内容。     

Inverse Model Control for a Quad-rotor Aircraft Using TS-fuzzy Support Vector Regression

基于TS模糊支持向量机回归的四旋翼无人机逆模控制

李志宇¹,陈含欣²,王从庆²,薛楷嘉²

(1.南京航空航天大学 无人机研究院,南京 210016;

2.南京航空航天大学 自动化学院,南京 210016)

创新点说明：

研究了一种基于TS模糊支持向量机回归的四旋翼无人机逆模控制方法,TS核是对应一组TS模糊推理规则的输入和一组输出线性组合的点积,TS模糊支持向量机回归的输出是TS核的线性加权和,推导了四旋翼无人机的动力学模型,提出一种将TS模糊支持向量机回归逆模控制与PID控制结合的新方法,其中TS模糊支持向量机回归逆模控制可以提高抗干扰和鲁棒性能,PID控制增加系统的快速响应和可靠性。仿真结果表明了该控制方法可以提高四旋翼姿态系统的控制性能。

研究目的：

采用PID 控制结合TS模糊支持向量机回归逆模控制来提高四旋翼无人机姿态控制的性能。

研究方法：

通过推导TS模糊支持向量机回归模型与TS模糊推理系统输出等效关系,建立四旋翼无人机动力学数学模型,在matlab仿真环境下开展实验验证,计算机2.4GHZ,2G内存,window7.0。

结果：

分别采用PID控制、Backstepping控制和TS模糊支持向量机回归逆模控制,仿真实验给出了无噪声和有噪声下的俯仰角和俯仰角速度变化曲线,仿真结果表明： TS模糊支持向量机回归逆模控制能够获得更好的控制效果。

结论：

采用TS模糊支持向量机回归逆模控制方法对四旋翼无人机姿态系统进行控制,设计了逆模控制器,并增加了PID控制,具有快速响应和抗干扰性能。

关键词：支持向量机回归,TS模糊支持向量机,逆模控制,四旋翼,姿态控制

     

永磁转子偏转式三自由度电机建模与结构分析

针对以往研究中单层结构永磁转子三自由度电机转矩特性的不足,提出一种新型永磁"蝶形"转子偏转式三自由度运动电机,采用球坐标系下分离变量法和洛伦兹力法分别对电机气隙磁场和转矩进行解析建模,确定气隙磁场空间谐波含量和结构参数对基波磁通密度和转矩幅值的影响,同时进行三维有限元仿真分析.通过研究两种计算方法下气隙磁场、自转和偏转转矩的特点及规律,并进行对比分析.结果表明:"蝶形"永磁转子结构的气隙磁通密度分布和转矩特性优于单层结构,气隙磁通密度径向分量空间分布近似平顶波,转子中间层磁极的气隙磁通密度幅值最大,解析法与有限元法的计算误差均小于6.7%.     

一种生成全机实用复杂外形计算网格的抛物型方程方法

通过对椭圆型方程进行抛物化差分离散，发展了一种快速抛物型方程贴体及与边界正交网格生成技术。采用该方法，生成了某歼击机全机真实外形三维ＯＣ型计算网格，并已成功地用于跨音速大迎角欧拉方程数值求解。实践表明，采用该方法能生成全机复杂外形高质量的计算网格，且节省机时     

无人驾驶飞机GPS导航系统的设计与实现

介绍了目前无人驾驶飞机（无人机）的几种定位和导航方法，提出了一种新的无人机导航系统：ＧＰＳ导航系统；论述了该系统的总体方案，分析了其关键技术；设计并实现了系统的硬件和软件；给出了试验结果。该系统可自主导航，也可用遥控系统辅助导航。它可用遥测系统监测飞行，在屏幕地图上显示预定航线和飞行航迹。它可用单个ＧＰＳ接收机导航，也可利用遥控信道进行ＧＰＳ差分。这是一种应用前景很好的无人机导航系统。     

飞机荷载桥梁装配式主梁横向新型连接方案及其静动力性能分析

针对既有装配式主梁铰缝连接强度弱、湿连接施工复杂等问题,充分考虑飞机荷载桥梁荷载集度大、空间受力显著等特点,提出一种剪力键和横向预应力筋混合连接的装配式主梁新型连接方案。该方案通过剪力键与键槽实现相邻主梁拼接,采用横向预应力筋为接缝界面提供压应力储备,具有结构整体性好、施工方便等优点。以某机场滑行道桥为对象,基于ABAQUS平台建立新型连接装配式主梁的非线性数值模型,开展静、动力学性能分析以验证方案的可靠性,揭示了剪力键位置、数量、高度及初始预应力对主梁力学行为和抗震性能的影响规律。结果表明：飞机静载作用下,该方案能够满足规范对于主梁挠度限值的要求且具有可观的安全储备。增设跨中剪力键及增加其数量可显著降低主梁跨中挠度和弯矩,相较于仅设置梁端剪力键,加设3道跨中剪力键可使静载下响应分别降低19.92%、23.35%,使地震下响应分别降低17.29%、40.12%。剪力键倾角和高度对主梁受力影响较小,增大横向预应力筋初始张拉力可有效提高主梁接缝界面的预压应力,静载、地震下的最大增幅分别为45.31%、46.51%。研究成果可为飞机荷载桥梁的主梁拼装提供重要的技术支撑,并可拓展应用于重载公路、铁路桥梁。     

旋翼飞行机器人的动力学建模与容错自适应控制

针对目前无人飞行器在受限环境执行作业时操控性和安全性不足的问题,设计了一种基于旋翼动力的碟式自主旋翼飞行机器人(rotor aerial robot,RAR),采用内置桨叶和冗余执行机构以增强飞行器的安全性和容错能力,采用内、外双旋翼系统和碟式机体构架以提高空气动力特性和操控性能.运用牛顿-欧拉方法建立了系统的6自由度(six-degrees-of-freedom,6-DOF)动力学模型,根据模型执行环节易受气动干扰或故障等因素影响而出现参数不稳定的问题,设计了容错自适应控制方法,在Matlab/SIMULINK环境下以飞行器的侧向通道控制为例进行了仿真实验,验证了旋翼飞行机器人具有良好的操控性和鲁棒性.     

基于Matlab无刷直流电动机控制系统建模仿真的新方法

在分析无刷直流电动机数学模型的基础上,提出了一种基于MATLAB的无刷直流电动机控制系统建模仿真的新方法。该仿真模型由独立的功能模块整合而成,其中电机本体和逆变系统模型采用SimPowerSystems中的电力电子元件搭建,可以真实反映中点电压的实际情况。梯形波反电势、反馈电流和换相逻辑模块采用simulink中的查表库模块建模,简单易行,便于替换和修改。仿真结果验证了仿真模型的有效性和正确性。     

Process Modeling and Control Simulation for a 500W@4.5K Helium Refrigerator

In order to investigate dynamic behaviors of a 500W@ 4.5K helium refrigerator,the process simulator has been completed. The cryogenic process model is described and main components are customized. The realtime communication between the process model and the control system has been achieved. Compared with the preliminary experimental data,the errors of temperatures during the process of 300 K-80 K are less than 10%.The process model is validated to predict the cool-down process very well. The controller parameters are tuned in simulation and applied to the actual refrigerator suitably. Based on the dynamic simulation,the operation of Joule-Thomson( JT) by pass valve has been optimized. And the cool- down process from 300 K to 4. 5 K has been simulated under the control programs. Simulation results indicate that this dynamic simulator based on actual control architecture is available to process control and operation optimization for the helium refrigerators.