本文關(guān)鍵詞：多旋翼無人機高空飛行穩(wěn)定控制問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：多旋翼無人機因其機械結(jié)構(gòu)簡單、維護使用方便、可垂直起降快速放飛等突出特點,近幾年在各個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速。相比于微小型四旋翼飛行器,大軸距的多旋翼無人機具有更好的載重能力、續(xù)航時間和抗風(fēng)性,在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中也更具實際價值。本文研究內(nèi)容所依托的項目需應(yīng)用八旋翼無人機在戈壁地區(qū)空曠多風(fēng)的氣候環(huán)境下完成飛行相高達一千米的吊掛負(fù)載飛行,對于多旋翼無人機這樣一類本身定位在近地面使用的飛行平臺而言,該相高尺度范圍的任務(wù)可以稱之為“高空飛行”。研究這一特殊工程背景下多旋翼無人機的穩(wěn)定控制問題有助于進一步拓展該機型作業(yè)空間和應(yīng)用領(lǐng)域。本文借鑒了前人關(guān)于直升機渦環(huán)狀態(tài)的研究成果和旋翼的動力學(xué)建模方法,綜合了理論分析和大量項目開發(fā)過程中的試驗數(shù)據(jù),以實際任務(wù)交付的八旋翼無人機系統(tǒng)對象為例,探討了多旋翼無人機高空飛行穩(wěn)定控制方面所需克服的幾個主要問題,相應(yīng)工作內(nèi)容和貢獻如下：(1) 結(jié)合旋翼動力學(xué)模型給出多旋翼無人機在高空飛行風(fēng)場環(huán)境下的仿真建模方法,參與了八旋翼無人機半實物仿真平臺的搭建和優(yōu)化工作。為后續(xù)八旋翼無人機項目研發(fā),控制律設(shè)計與調(diào)試、飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。(2) 在上述數(shù)學(xué)模型和半實物仿真環(huán)境基礎(chǔ)上,結(jié)合對飛行試驗過程中的數(shù)據(jù)分析,討論了飛行過程中海拔高度變化引起的空氣密度改變對旋翼氣動特性的影響：第一,實際飛行數(shù)據(jù)中反應(yīng)出海拔升高會使八旋翼無人機平均電機轉(zhuǎn)速上升,導(dǎo)致用于姿態(tài)控制的轉(zhuǎn)速裕量減少,這需要無人機在通道限幅器上做出相應(yīng)處理。第二,無人機在不同海拔高度旋翼的轉(zhuǎn)速-升力曲線特性發(fā)生變化,從而使飛機偏離原有的線性工作點,需調(diào)整內(nèi)環(huán)增益來補償空氣密度變化產(chǎn)生的影響。(3)基于模型給出了評估八旋翼無人機抗風(fēng)等級的方法,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)說明了該方法的有效性。利用Matlab自帶的線性化工具求得對象模型在控制律開環(huán)和閉環(huán)情況下風(fēng)擾通道傳遞函數(shù),驗證了所設(shè)計的控制律姿態(tài)環(huán)、速度環(huán)在大風(fēng)擾動情況下的跟蹤性和魯棒性。(4) 結(jié)合我們在較小尺寸的多旋翼無人機平臺上所做的近渦環(huán)試驗的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)介紹了渦環(huán)狀態(tài)在多旋翼無人機上的具體表現(xiàn)。對前人所做的渦環(huán)判據(jù)做了簡要討論并給出了多旋翼無人機快速下降過程中實際所采取的控制策略及可用于多旋翼無人機的渦環(huán)預(yù)警和改出策略。針對下降試驗中存在的內(nèi)環(huán)姿態(tài)設(shè)定值周期性波動問題,本文結(jié)合控制律頻域設(shè)計分析方法給出了垂直下降過程中控制律的改進方向。(5) 作為對多旋翼無人機穩(wěn)定控制問題討論的延伸,第六章補充介紹了該套飛控系統(tǒng)高空作業(yè)過程中遇到幾種典型特情的自動處理方法。從試驗結(jié)果和項目交付后該八旋翼無人機在任務(wù)使用中的表現(xiàn)來看,本文所提出的控制方法,能有效提高無人機的穩(wěn)定性和飛行品質(zhì)。而引入的包括電量管理、強風(fēng)下降在內(nèi)的應(yīng)急處理方法和控制策略能提高無人機安全返航率,在廣義的穩(wěn)定控制層面更好的保證多旋翼無人機的飛行安全。
【關(guān)鍵詞】：多旋翼無人機 高空飛行 穩(wěn)定控制 抗風(fēng) 渦環(huán)狀態(tài) 下降 應(yīng)急處理
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V279;V249.1
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 1. 緒論14-23
• 1.1. 研究背景14-17
• 1.2. 研究目的與意義17-18
• 1.3. 所涉及領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.1. 海拔變化對多旋翼無人機控制的影響18-19
• 1.3.2. 風(fēng)場擾動與抗風(fēng)性問題19-20
• 1.3.3. 下降過程與渦環(huán)狀態(tài)20-21
• 1.4. 研究內(nèi)容及論文章節(jié)安排21-23
• 2. 八旋翼無人機平臺介紹與系統(tǒng)建模23-37
• 2.1. 飛行平臺介紹23-26
• 2.1.1. 機架和動力套裝23-24
• 2.1.2. 供電系統(tǒng)24
• 2.1.3. 飛控分系統(tǒng)24-25
• 2.1.4. 地面測控系統(tǒng)25-26
• 2.1.5. 回收子系統(tǒng)26
• 2.2. 非線性機理建模26-33
• 2.2.1. 建模步驟26-27
• 2.2.2. 常用坐標(biāo)系和術(shù)語27-28
• 2.2.3. 槳葉動力學(xué)模型28-31
• 2.2.4. 多旋翼無人機運動學(xué)模型及模型集成31-33
• 2.3. 半實物仿真平臺搭建33-34
• 2.4. 近懸停工作點控制律34-36
• 2.5. 本章小節(jié)36-37
• 3. 海拔變化對控制系統(tǒng)的影響37-43
• 3.1. 引言37
• 3.2. 海拔變化對多旋翼無人機電機平均轉(zhuǎn)速的影響37-39
• 3.3. 空氣密度改變對旋翼轉(zhuǎn)速升力曲線特性的影響39-41
• 3.4. 實用升限評估方法41-42
• 3.5. 本章小節(jié)42-43
• 4. 多旋翼無人機高空飛行抗風(fēng)性問題43-52
• 4.1. 引言43-44
• 4.1.1. 大氣運動對多旋翼無人機的影響43
• 4.1.2. 風(fēng)場類型簡介43-44
• 4.2. 多旋翼無人機抗風(fēng)等級評估44-46
• 4.3. 高空風(fēng)場擾動分析46-50
• 4.4. 控制律抗風(fēng)性問題改進50-51
• 4.5. 本章小節(jié)51-52
• 5. 下降過程與渦環(huán)狀態(tài)52-68
• 5.1. 多旋翼無人機渦環(huán)狀態(tài)52-55
• 5.1.1. 渦環(huán)狀態(tài)簡介52-53
• 5.1.2. 多旋翼無人機近渦環(huán)試驗及現(xiàn)象分析53-55
• 5.2. 渦環(huán)判據(jù)55-56
• 5.3. 前飛下降試驗及實際作業(yè)中的操作方法56-60
• 5.4. 多旋翼無人機渦環(huán)預(yù)警及改出策略60-61
• 5.5. 垂直下降過程控制律設(shè)計與改進61-67
• 5.6. 本章小節(jié)67-68
• 6. 高空飛行緊急情況處理68-78
• 6.1. 飛控系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)與應(yīng)急處理模塊68-69
• 6.2. 電量管理69-71
• 6.2.1. 剩余電量估計69-70
• 6.2.2. 電量管理策略70-71
• 6.3. 數(shù)傳失聯(lián)71-73
• 6.3.1. 數(shù)傳鏈路中斷原因71-72
• 6.3.2. 失聯(lián)檢查72-73
• 6.3.3. 失聯(lián)應(yīng)急處置方案73
• 6.4. 強風(fēng)情況73-75
• 6.4.1. 強風(fēng)檢測73-74
• 6.4.2. 強風(fēng)應(yīng)急下降74-75
• 6.5. 衛(wèi)星定位系統(tǒng)失效75-77
• 6.6. 本章小節(jié)77-78
• 7. 總結(jié)與展望78-80
• 7.1. 總結(jié)78
• 7.2. 展望78-80
• 參考文獻80-82
• 個人簡介及科研成果82

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