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。     

一种新型串列式双旋翼飞行器

提出了一种新型串列式双旋翼飞行器。该飞行器采用上下串列螺旋桨设计,其中的一个螺旋桨固定,而另外一个螺旋桨可以摆动,以调整飞行器飞行姿态,达到控制飞行器飞行及保证稳定的目的。分析了国际上类似飞行器的发展概况及其特点,介绍了串列式双旋翼飞行器的机械结构设计方案。对飞行器的姿态控制问题进行了相应的理论分析,建立了动力学模型,并针对模型的特点改写了开源飞控APM。通过对控制系统及实际机械结构的试验,验证了方案的可行性。     

基于自适应控制的四旋翼飞行器控制系统研究

四旋翼飞行器的模型参数具有不确定性和时变性,在复杂环境下执行任务时容易受到外界环境的干扰,导致常规控制器很难使四旋翼按照期望的轨迹稳定飞行。针对这一问题,基于Lyapunov稳定理论设计了一种性能优越的模型参考自适应控制方法。首先对四旋翼飞行器进行动力学建模,然后基于模型设计了自适应控制律。仿真结果表明,与常规PID控制方法相比,自适应控制方法能有效改善飞行过程中的漂移和震动,提高飞行器的抗干扰能力和自我调节能力。     

四旋翼飞行器中升力波动的干扰与抑制

四旋翼飞行器旋翼产生的升力是在基值的基础上附加一系列频率特性和旋翼转速有关的高频分量。由于它会对飞行器的控制产生扰动,本文研究了这类高频升力分量对飞行器的影响并给出了抑制扰动的方法。首先,基于拉格朗日能量法建立四旋翼飞行器动力学模型;进而分析了高频升力分量与飞行器角速度扰动之间的关系。然后,将角速度反馈环节加入针对有色噪声的卡尔曼滤波器来抑制角速度扰动对控制器的影响。实验结果显示：与改进前相比,采用本文的方法对四旋翼原型机进行悬停控制可使控制量波动减少50%,高频控制量衰减至-17db以下。结果表明：采用本文的方法,可以有效地抑制升力波动对四旋翼飞行器的影响,提高飞行控制效率。     

基于MEMS的低成本多旋翼飞控设计以及实现

随着多旋翼飞行器应用场景的增多以及MEMS传感器技术的进步,低成本MEMS传感器应用在多旋翼飞控上需求越来越广。研究设计了一种基于MAX21000+ADXL362+HMC5983+MS5611等MEMS传感器的多旋翼飞控,处理器采用STM32F407,大大降低了硬件成本。在算法层面,姿态通道采用线性自抗扰(LADRC)中的微分跟踪器和线性状态扩张器,减少了超调,提高了抗干扰能力,实现了姿态控制和定点飞行等功能。经实际飞行表明,基于MEMS传感器的低成本多旋翼飞控具有成本低、性价比较高和算法简洁等优点,非常适合消费级多旋翼使用。     

六轴旋翼碟形飞行器控制系统设计

本文介绍了一种以6个无刷直流电机作为动力装置的六轴旋翼碟形旋翼飞行器。通过电机的转速来控制飞行器的飞行状态,为了实现六轴旋翼碟形飞行器的飞行控制,对飞行器的控制系统进行了初步设计,并且给出了以ATMEGA8535单片机为计算控制单元,给出了其控制系统的硬件设计,由于元器件采用了贴片封装和低功耗的CMOS器件,使飞行器具有重量轻、功耗低、体积小等优点;本文也论述了硬件系统设计各单元模块的功能及可靠性,从而能够满足飞行器起飞、悬停及降落等控制姿态的要求。     

风场环境下四旋翼飞行器抗干扰研究

针对四旋翼在室外飞行时易受到气流干扰,难以实现精准控制的问题,首先对四旋翼在室外飞行时的风场环境进行建模,将风场影响添加到四旋翼动力模型当中;其次,设计了自适应扩展卡尔曼滤波器(Adaptive extended kalman filter,AEKF),通过实时调整噪声协方差的自适应因子提高飞行器姿态数据的滤波精度,并将数据反馈给PID位置控制器对飞行器进行控制。实验表明,建立的模型能够有效反映四旋翼在风场环境下的运动规律,采用PID与AEKF相结合的控制策略可以提高系统的抗干扰能力,实现在风场环境下对四旋翼的精准控制。     

无人搜救飞行器结构设计

四旋翼无人搜救飞行器合理的结构设计是飞行器稳定飞行的前提,飞行器性能的稳定取决于设计结构的优化程度。通过对四旋翼无人搜救飞行器结构的分析、建模、运算来设计四旋翼无人搜救飞行器的结构,使其性能更加稳定可靠。     

倾转变形四旋翼飞行器的设计和实现

针对灾难搜救、军事侦察等应用中的狭窄空间飞行需求,提出一种俯仰姿态可以独立控制的四旋翼飞行器。该飞行器在普通四旋翼飞行器的基础上增加了一个倾转自由度,由一个驱动来独立控制飞行器的俯仰姿态,实现指定倾转角的悬停和飞行。建立了飞行器气动力仿真模型,仿真分析了倾转状态下旋翼间气流干扰对气动力特性的影响。搭建了气动力特性测试平台,通过实验验证了气动力仿真模型的有效性。最后,研制了飞行器原理样机,进行了倾转悬停和倾转飞行实验。研究结果表明,飞行器可以实现接近90°的倾转悬停,同时可以以倾转60°的俯仰姿态稳定飞行,验证了倾转变形四旋翼飞行器穿越狭窄空间的可行性。     

可倾转变形四旋翼飞行器建模与飞行仿真

为了提高四旋翼飞行器在地震灾难现场等内部狭窄空间中的通过性,提出了一种新型的螺旋桨可倾转的四旋翼飞行器。该四旋翼飞行器在传统四旋翼飞行器基础上增加了一个倾转自由度,实现四个螺旋桨同步、同向倾转,进而可以改变飞行器构型来适应狭窄飞行空间。建立了倾转变形四旋翼飞行器动力学数学模型,在Simulink/SimMechanics仿真环境中搭建了四旋翼飞行器动力学模型,设计了串级PID控制器,实现了四旋翼飞行器在倾转状态下稳定飞行,分析了飞行器穿越狭窄空间的飞行动作及轨迹跟踪情况。仿真结果表明倾转变形四旋翼飞行器构型设计和仿真系统是可行的。     

径向电涡流阻尼器对柔性转子系统振动的控制

为了抑制转子系统的振动和研发高性能的转子系统振动主动控制执行元件,基于电涡流原理提出了一种新型的转子系统径向电涡流阻尼器,在一个带有双盘的柔性转子系统上详细地测量了不同磁场强度条件下径向电涡流阻尼器支撑的转子系统在非旋转状态下的传递函数、在恒定转速下的运动轨道以及在慢加速运行过程中的不平衡响应曲线,并进行了利用径向电涡流阻尼器对转子系统的振动进行分段和比例控制的有效性试验。结果表明了这种新型的径向电涡流阻尼器不仅具有结构简单、无需流体介质、无机械接触等特点,而且其动力特性还容易控制,在设计合理的条件下能够显著地减小转子系统的振动,是一种被动和主动兼备具有良好发展和应用前景的转子系统阻尼结构。     

转子系统振动的灰色预测控制研究

分析了转子系统灰色预测控制设计方法及应用。针对单盘对称转子轴承系统 ,建立了灰色模型 GM(1,1)为主体的灰色预测控制模块 ,进行了振动主动控制研究 ,仿真计算结果表明 ,将灰色预测控制理论与方法应用于转子系统振动主动控制是可行的、有效的     

转子系统振动的灰色预测优化控制研究

以灰色预测控制理论为基础 ,采用现代控制理论中的二次型优化原理 ,以控制力和响应加权最小为目标函数 ,设计了转子系统振动的灰色预测优化控制方案。并将该方案应用于带电磁阻尼器转子轴承系统的转子振动主动控制中 ,仿真结果显示转子振动的灰色预测优化控制具有建模迅速 ,控制及时、准确等优点。     

采用H_∞控制理论实现的弹性转子系统振动控制

依据切舍了高阶振动后得到的弹性转子系统低阶模型,提出一种有效克服振荡现象的新型Ｈ∞控制系统设计方法。通过求解互补灵敏度函数和调整函数在特定频域内的最小混合问题设计了Ｈ∞控制器。仿真结果表明,该方法以抑制系统振荡,保证系统鲁棒稳定性具有良好的效果。     

高速转子系统振动控制技术评述

高速转子系统在正常工作过程中必须通过临界转速,此时由于不平衡质量的作用,转子系统会产生共振,导致强烈的振动。降低系统支承刚度以降低临界转速、增大支承阻尼,以减小振幅,这些措施可以抑制系统通过临界转速时的振动幅值和外传力。在振动被动控制技术中,常用弹性支承和挤压油膜阻尼器、金属橡胶减振器、高聚物复合材料减振结构等,降低系统支承刚度,增大支承阻尼,以减小系统振动;在主动控制技术中,通过主动控制挤压油膜阻尼器的参数,改变支承的刚度和阻尼的大小,以控制系统的振动;以及采用形状记忆合金调节器、电磁阻尼器、压电调器等装置,来主动控制系统的振动。目前控制技术仍存在装置结构复杂、性能不稳定等问题,采用粘弹阻尼复合材料与滚动轴承钢外圈复合结构的一体化滚动轴承,足一种有发展前途的研究方向。     

转子系统强迫振动自校正控制

给出了用于转子系统强迫振动主动控制的自适应控制方案,它主要由可控径向轴承和自校正控制器两部分组成。可控轴承为系统的执行元件,自校正算法则由多步递推预报器和控制器组成,通过在线测量转子系统输入输出值,调整油腔压力而使强迫振动振幅减小。仿真计算表明自适应控制适用于转子系统强迫振动控制,转子不平衡引起的振动幅值可有效地减小。     

磁悬浮转子振动主动控制综述

利用磁悬浮系统的可控性,应用于转子的振动控制,将会进一步提高转子的旋转精度.本文阐述了磁悬浮系统控制转子振动的研究现状,磁悬浮系统的结构,工作原理及磁悬浮系统的优点.并且分析了将磁悬浮系统应用于控制转子振动的两种方法,指出现在这两种方法的缺点.并介绍了点磁悬浮动力吸振器的优点.在文章的最后提出了研究这种系统所要面临的问题.     

挤压式磁流变液阻尼器--转子系统的动力学特性与控制

用磁流变液代替常规挤压油膜阻尼器的润滑油,可制成阻尼特性受磁场控制的挤压油膜阻尼器,用于转子系统的振动控制。依据Bingham模型推导了磁流变液挤压油膜的雷诺方程及其解的表达式,给出了油膜流速、压力分布、油膜反力和阻尼器内磁拉力等的计算公式;以磁流变液阻尼器—刚性转子系统为例,理论分析了挤压油膜的力学特性和转子系统的不平衡响应特性;设计和制造了一种用于转子振动控制的挤压式磁流变液阻尼器;试验研究了支承在该阻尼器上的单盘偏置柔性转子系统的不平衡响应特性和控制方法。研究表明,磁拉力可降低一阶临界转速和临界振幅;油膜反力可降低转子系统在无阻尼临界转速处的振幅,并使一阶有阻尼临界转速增大;通过开关控制能使阻尼器具有最佳的减振效果,使转子振幅在全转速区达到最小。     

磁流变液阻尼器-柔性转子系统振动特性与控制的再研究

对先前提出的理论分析模型进行适当改进，用新模型对支承在磁流变液阻尼器上的单盘悬臂柔性转子系统的振动特性和控制技术进行再研究。研究表明，随着磁流变液阻尼器的库仑阻尼力的增大，系统在无阻尼临界转速处振幅明显下降，但在两阶临界转速之间的一定转速区振幅增加；同时，随着库仑阻尼力的增加，阻尼器轴承处的振幅在几乎所有转速时都被减小，甚至在某些转速区间该轴承被“锁住”，而且轴承能够振动的区间越来越窄。这说明转子系统从一个弹性支承系统逐步转化为一个准刚性支承系统，阻尼器支承的有效刚度越来越大，使得一阶有阻尼临界转速逐渐提高，并逐渐接近刚支临界转速。根据这些特性，提出通过开关控制抑止转子通过两阶临界转速过程中的振动，并使转子振幅在全转速区达到最小。仿真结果表明，系统能平稳通过两阶临界转速。     

磁流变弹性体变刚度隔振系统的设计与仿真分析

磁流变弹性体兼有磁流变液和弹性体的优点,其剪切模量可由外加磁场控制,在振动控制等方面具有广阔的应用前景。现有的隔振系统中隔振器刚度一般都是固定值,这使系统的隔振效果有局限性,对较低频率振动,尤其是共振时的隔离效果很差。提出了将可调刚度的磁流变弹性体隔振器用于隔振系统中．通过改变隔振器的线圈电流大小来控制磁流变弹性体的剪切模量,进而调整隔振系统的刚度,使系统获得更宽的隔振频率范围。设计了隔振器的结构,基于SimuLink软件对系统的隔振效果进行仿真分析．表明了设计的有效性．