一种涵道式无人飞行器的动力学与控制

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近年来,无人机以其独特的性能和特点在军事领域得到了广泛的应用,各国争相开展无人飞行器相关技术的研究。涵道风扇式无人飞行器具有垂直起降,结构紧凑,机动灵活和使用安全等优点,这使得它能够胜任一些特殊任务。本文结合国内外这种飞行器的发展现状,就其动力学建模和控制问题进行了一些初步研究。首先,基于空气动力学与计算流体力学,对空气性质进行了合理的假设,采用数值计算方法定性地分析了气动舵组的气动力特性,计算出了其升力系数和扭力系数这两个重要的气动参数;然后采用同样的方法定性地分析了涵道的气动力特性,给出了在低空悬停、高空悬停和有侧风干扰三种典型情况下飞行器的气动特性,得到了几个重要的结果,另外本文还粗略地计算了螺旋桨的气动力。在此基础上,根据刚体动力学的知识,建立了飞行器的刚体动力学模型。针对飞行器的控制问题,考虑到可实现性和鲁棒性,本文采用HH∞控制、离散时间滑模控制和模糊控制这三2种先进控制方法有针对性地设计了控制方案,对飞行器的姿态和水平运动控制,设计了2HH∞控制器,提出了借用数字化重设计思想设计了离散时间滑模控制器的方法,对于高度控制采用模糊查表算法,为了检验所设计控制器的有效性,本文还进行了数字仿真实验。除此之外,还介绍了实验系统的物理构成,详细说明了各部分的性能及参数,最后给出了本文的结论。
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