微型飛行器非線性飛行動力學與智能控制研究.pdf

1、近年來，在不斷增長的應用前景刺激之下，微型飛行器正逐步成為一個國際性的研究熱點。MAV在低雷諾數(shù)條件下具有的非線性飛行動力學特性、外界非定常大氣擾動、系統(tǒng)內的微型化和測量精度等因素，使得MAV自主飛行控制成為一個有別于常規(guī)無人機控制的復雜問題。 MAV的自主飛行問題，實際上就是對一個非線性、非定常以及參數(shù)不確定性復雜系統(tǒng)的控制問題。針對MAV自主飛行系統(tǒng)的要求，本文著重于構建一個包括對象特性分析與控制方法研究在內的一體化研究體

2、系。從固定翼MAV的特殊總體布局設計、低雷諾數(shù)氣動分析、非線性飛行動力學特性分析以及非定常大氣擾動影響研究出發(fā)，構建相應的智能導航與控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)MAV自主飛行。本文的研究工作主要包括以下內容： （1）構建基于總體構型設計與氣動特性研究的具有自主飛行能力MAV系統(tǒng)設計框架 針對MAV飛行的特點，確定了以MAV特殊總體構型設計、低雷諾數(shù)氣動特性與非線性動力學特性研究為基礎，結合非定常大氣擾動對MAV飛行的影響分析，以

3、MAV組合導航技術、智能飛行控制策略為關鍵技術的一體化研究構架，構建相應的MAV智能自主飛行系統(tǒng)，并將MAV飛行仿真技術與飛行試驗貫穿于MAV研究始終。 （2）低雷諾數(shù)條件下的MAV非線性飛行動力學特性分析 提出了一個MAV特殊總體布局設計方案，開展固定翼MAV低雷諾數(shù)風洞試驗，結合MAV飛行試驗數(shù)據(jù)辨識，研究固定翼MAV低雷諾數(shù)空氣動力學模型；提出了一種針對飛翼式固定翼MAV的動阻尼導數(shù)計算方法；建立了考慮螺旋槳滑

4、流作用的MAV飛行動力學方程。提出了一種基于MAV全自由度動力學模型的飛行動力學特性全狀態(tài)分析方法，研究了MAV在這個飛行包線內的飛行動力學特性非線性變化規(guī)律。 （3）非定常大氣擾動下的MAV飛行力學特性研究 通過研究各類大氣擾動現(xiàn)象的產生機理與表現(xiàn)特征，結合MAV飛行的特點，確定了對MAV飛行具有突出影響的幾類典型大氣擾動模型；研究了典型特征參數(shù)在風場模型中的作用，建立適合MAV飛行仿真的非定常大氣擾動風場模型；研

5、究非定常擾動對MAV飛行特性的影響，建立了考慮非定常大氣擾動影響的MAV飛行動力學模型。 （4）基于多傳感器技術的MAV組合導航技術研究 提出了一種基于組合傳感器技術的MAV分層次導航系統(tǒng)方案。引入四元數(shù)結構下的捷聯(lián)慣導與GPS組合信息卡爾曼姿態(tài)濾波方案。在姿態(tài)測量的基礎上，提出了一種基于多傳感器智能組合技術的MAV導航位置信息優(yōu)化提取方案。 （5）MAV自主飛行智能控制策略研究及穩(wěn)定性分析 建立

6、了以MAV各個方向姿態(tài)穩(wěn)定為基礎，MAV全局軌跡導航為目標的分層次自主飛行系統(tǒng)設計方案。在MAV非線性飛行動力學特性研究以及實際飛行數(shù)據(jù)分析的基礎上，研究了MAV自主飛行各子系統(tǒng)控制中可變控制參數(shù)集合的模糊超曲面，保證了特定狀態(tài)范圍內MAV姿態(tài)、高度以及航跡等各個子控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；引入專家控制思想，將MAV遙控飛行人員的領域知識以及經驗技巧引入到整個系統(tǒng)的全局仲裁機構，對系統(tǒng)進行整體的協(xié)調與優(yōu)化，實現(xiàn)了MAV全局穩(wěn)定自主飛行控制；針

7、對該類智能自主飛行控制系統(tǒng)的特點，提出基于Lyapunov理論的MAV自主飛行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。 （6）MAV自主飛行仿真平臺與飛行試驗技術研究 確定MAV自主飛行數(shù)學仿真平臺構成，研究各分系統(tǒng)的數(shù)學建模技術，分析MAV系統(tǒng)內誤差的類型與建模技術，建立真實有效的MAV自主飛行控制三維動態(tài)數(shù)學仿真平臺；分析了飛行試驗在MAV自主飛行設計中的重要性，研究了MAV飛行試驗中的關鍵技術；開展大量飛行試驗，對MAV自主飛行控制設