本体自旋飞行器周期控制方法设计及仿真研究

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1、本体自旋飞行器周期控制方法设计及仿真研究宋京帅2015年6月本体自旋飞行器周期控制方法设计及仿真研究作者姓名宋京帅学院名称宇航学院指导教师张卫忠答辩委员会主席单家元申请学位工学硕士学科专业航天工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月CyclicControlDesign,SimulationandAnalysisforanAuto-rotationAerialVehicleCandidateName：JingshuaiSongSchoolorDepartment：SchoolofAreospaceEngineerin

2、gFacultyMentor：WeizhongZhangChair,ThesisCommittee：JiayuanShanDegreeApplied：MasterofEngineeringMajor：AerospaceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过

3、的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士论文摘要本体自旋飞行器是一类垂直起降式无人飞行器。国外研究机构已陆续开展针对该飞行器的结构系统分析、动力学模型建立、控制方法设计等各项基础研究。其中，针对该飞行器的控制方法是不仅是该飞行器设计中的关键技术，也是其中的重点难点内容。本文在借鉴已有本体自旋飞行器基础上，对某型本体自旋飞行器进行改进，并针对该飞行器设计基于推进力的周

4、期控制方法，通过仿真试验对该方法进行验证分析。主要内容如下：1.建立本体自旋飞行器动力学模型。通过相关假设，根据飞行器特性，以刚体六自由度运动方程为基础，建立针对该飞行器的动力学模型，并分别进行竖直和水平运动分析，明确水平和竖直控制信号，提出周期控制角的概念，并针对该模型进行无控飞行仿真分析。2.分析飞行器陀螺稳定性。在动力学模型基础上，推导飞行器俯仰角和滚转角关于扰动的转换方程，分析系统稳定性条件，证明陀螺稳定性是本体自旋飞行器固有特性。3.设计本体自旋飞行器基于推力的周期控制方法。在借鉴周期升力控制的基础上，提出与之不同的周期

5、推力控制方法。本文所采用的周期推力控制方法以飞行器陀螺稳定性为依据，以其对飞行器俯仰和滚转自由度的约束为基础，由竖直和水平控制器产生竖直和水平控制信号，周期控制模块分配周期控制区间并产生周期控制指令，通过飞行器推进系统执行控制指令，改变飞行器飞行状态。4.进一步分析周期控制方法中的周期控制角和多周期控制。本文分析飞行器推进系统时间常数对周期控制角的影响，并提出周期控制角修正方法，针对不同脉动控制周期下飞行器控制效果进行了研究，为合理选择控制周期提供依据。本文对周期推力控制方法结合动力学模型进行位置反馈和速度反馈仿真试验，验证了周期

6、推力控制方法能够有效控制飞行器的运动状态。关键词：本体自旋；动力学模型；周期推力控制；仿真；I北京理工大学硕士论文AbstractTheauto-rotationUnmannedAerialVehicleisatypeofVTOLunmannedaircraft.Thebasicstudyontheaircraftstructuresystemdynamicmodelandthecontrolmethodshasbeencarriedoutbysomeforeignresearchinstitutionsalready.Among

7、allthesestudy,theauto-rotationUAVcontrolmethoddesignisnotonlythekeytechnologyintheaircraftdesign,butthemostdifficultcontent.Inthispaper,acommonkindofauto-rotationUnmannedAerialVehiclehasbeenredesignedandacyclicthrustcontrolmethodwasdevelopedforthisUAV,verifiedandanaly

8、zedbyalargenumberofsimulationexperiments.Themaincontributionsofthispaperareasfollows:1.Establishmentforthedynamicmodelofthea