文档介绍：华南理工大学
硕士学位论文
飞行机器人的建模和控制
姓名:胡一凡
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:裴海龙
20040501
摘要
竺,巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴里巴巴二
摘要
飞行机器人是一个极具挑战性的多学科交叉的前沿性研究课题。近年来,随
着微电子技术特别是低价位的基于惯性测量元件的小型捷联惯导技术的
发展,小型无人直升机这种具有垂直起降和悬停功能的廉价飞行机器人在除军事
目的以外的民用领域获得了初步应用。正是基于在民用领域的广阔应用前景,本
课题应运而生。
小型无人直升机要成为名副其实的具有自主能力的“飞行机器人”,必须具有
性能卓越的飞行控制系统,而控制系统的设计往往依赖于系统的数学模型。因此,
木文的主要研究内容是小型无人直升机的数学建模及其飞行控制系统的设计。
本文重点分析了小型无人直升机与常规直升机的差异之处,包括其操纵机构
所特有的和混合器结构,及其快速的动态响应特性和高度的不
稳定性。然后针对差异之处进行了重点建模,给出了两种主旋翼和沙混合旋
翼系统的挥舞运动方程并对主旋翼的入流和尾迹做出合理的假设,给出了尾迹
的简化建模方法。通过一系列的分析和研究,最终给出了针对小型无人直升机的
实用的低阶飞行动力学模型。该模型最大的优点是大部分参数可以直接测量得
到,某些参数只需要通过简单的飞行试验即可估计得到,并不需要专门的系统辨
识技术。
基于所建立的小型无人直升机数学模型,本文数值仿真了样例机对操纵输入
的动态响应。仿真结果反映出的小型无人直升机运动趋势是合理、正确的,初步
证明了该模型能够刻画小型无人直升机动态响应的基本特征,所建模型具有一定
的精度。该仿真结果在课题研究的下一阶段还可用来与飞行试验测得的数据进行
比较,以验证数学模型的正确性,并调校模型参数。
基于建立的数学模型,在完成小型无人直升机非线性数学模型配平及线性化
的工作后,本文分别采用线性控制系统设计方法和非线性控制系统设计方法
为小型无人直升机设计了飞行控制系统,并通过数值仿真对控制
系统的性能进行了分析和比较。仿真结果表明,设计的飞行控制系统能够满足指
令跟踪、姿态控制和抗干扰等飞行性能要求。
关键词飞行机器人数学建模挥舞运动非线性系统飞行控制系统
华南理工人学硕十学位论文
工
,一、
一
’
一
一
一
。上
一
一
一
华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研
究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文
不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研
究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完
全意识到本声明的法律后果由本人承担口
作者签名胡一凡日期月巧日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,
同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,
允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的
全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫
描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密口,在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密
请在以上相应方框内打“夕,
作者签名日期年月巧日
导师签名日期年月口
华南理土大学硕十学位论文
符号表
符号名说明
马旋翼纵向挥舞角
乌,
编旋翼横向挥舞角
主旋翼升力曲线斜率
气尾桨升力曲线斜率
气纵向周期变距输入对挥舞角的稳态增益
嘿横向周期变距输入对择舞角的稳态增益
鳄额定转速时纵向周期变距输入对挥舞角的稳态增益
额定转速时横向周期变距输入对挥舞角的稳态增益
, 主旋翼桨叶弦长
畔尾桨桨叶弦长
主旋翼拉力系数
缨尾桨拉力系数
主旋翼拉力系数最人值
嘿尾桨拉力系数最大值
嘿平尾升力曲线斜率
端垂尾升力曲线斜率
主旋翼型阻系数
尸尾桨型阻系数
作用于直升机的外力体轴系
重力加速度
,
尾桨桨毅与质心间的乖向距离
几
直升机机体转动惯量
孺
主旋翼转动惯量
几
主旋翼挥舞惯量
戈
尾迹密度因子
凡
调速器比例反馈增益
凡
调速器积分反馈增益
马
主旋翼桨毅扭转硬度
符号表
矛
鱿
厂尾桨桨毅与质心的水平距离
了