复杂风力环境下固定翼无人机回收末段导航及鲁棒控制研究.pdf

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1、硕士学位论文复杂风力环境下固定翼无人机回收末段导航及鲁棒控制研究RESEARCHONNAVIGATIONANDROBUSTCONTROLOFFIXED-WINGUAVINCOMPLEXWINDENVIRONMENTDURINGTERMINALSECTIONOFRECOVERY左湛哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V249学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开工学硕士学位论文复杂风力环境下固定翼无人机回收末段导航及鲁棒控制研究硕士研究生：左湛导师：赵钧教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学

2、院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249U.D.C:629DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONNAVIGATIONANDROBUSTCONTROLOFFIXED-WINGUAVINCOMPLEXWINDENVIRONMENTDURINGTERMINALSECTIONOFRECOVERYCandidate：ZuoZhanSupervisor：Prof.ZhaoJunAcademicDegreeAppliedfo

3、r：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticsScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要相比于旋翼类（多旋翼，直升机）无人机，固定翼无人机具有航程远，载重大的优势。因此，固定翼无人机在许多领域得到了广泛的应用。但

4、需要注意的是，相比于旋翼类无人机，固定翼无人机的起降传统上通常需要固定的跑道。或者，采用类似于开伞回收和气囊缓冲回收等辅助的缓冲降落回收方式，但这类回收方式的实际效果并不好。当前，因受限于上述固定翼无人机起降环境的限制，其应用场景的灵活性较差。一旦其起降环境的限制得到解除，其应用前景将会得到进一步地拓展。因此，对于固定翼无人机而言，发展高精度且高效率的回收降落方式就显得尤为重要，这也成为了在无人机技术领域国内外的热门研究方向之一。针对这种固定翼无人机的降落回收应用场景，本文首先提出了两种回收方式的机械结构总体设计：单线式机背天钩撞线回

5、收方案和线网复合式机背天钩撞线回收方案。这两种方案分别适用于小型固定翼无人机的回收和中大型固定翼无人机的回收。显然，这两种撞线回收方案都对于无人机回收末段的高精度导航和控制系统在复杂风场干扰下稳定固定翼无人机的各项飞行参数提出了较高的要求。针对固定翼末段回收导航的高精度要求，本文提出了一种通过单目视觉导航方式提供无人机飞行位置信息的方法：由相机观察一个形状已知并且相对特定的坐标系位置姿态信息已知的立体靶标，并由相机拍摄到的画面通过数学模型的转换和定位算法的解算得到无人机相对于该坐标系的位置信息。同时，本文就这种定位算法在典型应用场景下

6、的误差给予了分析。针对固定翼末段回收导航对于控制系统提出的要求，本文首先完成了复杂风场模型的建立和仿真工作。同时完成了无人机飞行动力学模型的建立和飞行中所受到的力和力矩的计算工作。并根据小扰动的动力学方程，基于状态反馈H∞最优控制方法分别完成了纵向飞行控制器和横侧向飞行控制器的设计，以及分析工作。最后，本文结合上述各部分内容的数学模型，进行了整体的数学仿真实验，初步验证了在复杂风力环境下固定翼无人机回收末段通过单目视觉导航及鲁棒控制可以满足撞线回收方式对于无人机末段回收阶段提出的精度要求。关键词：无人机回收；鲁棒控制；单目视觉；风扰动

7、-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractComparedtorotor-type(multi-rotor,helicopter)drones,thefixed-wingUAVshavealongerflyingrangeandcancarrymorepayload.Therefore,fixed-wingUAVshavebeenwidelyusedinmanyfields.Butthemainproblemisthatthelandingoffixed-wingUAVstraditionallyrequireafixedr

8、unwaycomparedtorotaplanes.Alternatively,bufferinglandingrecoverymethodssuchasparachuterecoveryandairbagbufferi