无人机控制第三次课--无人机控制

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1、控制科学与工程专业选修课无人机控制系统无人机控制哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心伊国兴本节课教学内容标准大气和雷诺数1无人机常用坐标系及转换2无人机的力与力矩3无人机稳定性4无人机建模51标准大气及雷诺数1.1标准大气1.1.1大气特性高度增加，空气密度减小。随着高度增加，空气压力减小。高度增加，气温近似线性降低（11000米对流层内）。空气的湿度越大，空气的密度越小1标准大气及雷诺数1.1标准大气1.1.2国际标准大气国际标准大气，简称ISA，就是人为地规定一个不变的大气环境，作为计算和试验

2、飞机的统一标准。以北半球中纬度地区（北纬35°~60°）大气物理特性的平均值为依据，并适当加以修正而建立。1标准大气及雷诺数1.1标准大气1.1.2国际标准大气海平面高度为0，气温为288.15ºK、15℃或59℉。海平面气压?0为1013.2mBar(毫巴)或1013.2hPa(百帕)或76mmHg(毫米汞柱)。海平面空气密度?=1.226kg/m301标准大气及雷诺数1.1标准大气1.1.3空气相对密度空气密度0.465??=(kg/m3)273+?p----大气压力，mmHg；t----大气温度

3、，℃空气相对密度∆=??/?0∆=(20−?)/(20+?)(?≤13km)∆=(20−?)/(20+?)(13km≤?≤18km)或∆=(1−?/44.3)4.253(?≤11km)∆=0.297?−(?−11)/6.336(?≥11km)1标准大气及雷诺数1.1标准大气1.1.4标准大气相对压力?≤11km时5.256????1.235==∆?0?0或??=1−0.02257?5.256=∆1.235?0?≥11km时??=0.2234?−(?−11)/6.336=0.752∆?01标准大气及雷诺数1.2

4、空气黏性•边界层：一般定义边界层厚度常以界层内流速达到99%来流速度作为界层的边缘，该处与板面的距离作为界层厚度值。速度y不受干扰的主流υυυυυ附面层边界流线层界δ边o物体表面x1标准大气及雷诺数边界层两种流动状态：层流边界层、湍流边界层（紊流边界层）层流附面层•附面层内部成层流动•各层之间没有流体微团窜动，各层互不混淆•附面层比较薄絮流附面层•附面层内各层流体之间有流体窜动，各层发生混淆•由于流体微团上下窜动，使上层速度减小，下层速度增大•附面层比较厚物体表面如产生的是絮流附面层，则其摩擦阻力要比产

5、生层流附面层时大层流边界层过渡区紊流边界层层流底层1标准大气及雷诺数1.4雷诺数惯性力与粘性力的比值。反映了粘性的影响程度VlReVl/雷诺数大：粘性力影响小雷诺数小：粘性力影响大2无人机常用坐标系及坐标转换2.1无人机常用坐标系合理选择不同的坐标系来定义和描述飞机的各类运动参数，是建立飞机运动模型进行飞行控制系统分析和设计的重要环节。忽略地球曲率认为地面坐标轴系为惯性坐标系•地面坐标系•机体坐标系•气流坐标系2无人机常用坐标系及坐标转换2.1无人机常用坐标系2.1.1地面坐标系（OgXg

6、YgZg）坐标系与视作平面的地球表面相固联。原点Og：地面上某点，如飞机起飞点；纵轴OgXg：在地平面内并指向应飞航向，坐标OgXg表示航程。横轴OgYg：也在地平面内并与纵轴垂直，向右为正，坐标OgYg表示侧向偏离。立轴OgZg：垂直地面指向地心，坐标OgZg表示飞行高度。2无人机常用坐标系及坐标转换2.1无人机常用坐标系2.1.2机体坐标轴系（oxyz）原点o：在飞机质心处，坐标系与飞机固连。纵轴ox：在飞机对称平面内，与飞机设计轴线平行，指向前方（机头）。横轴oy：垂直飞机对称平面指向右方

7、。立轴oz：在飞机对称平面内，且垂直于ox轴指向机身下方。2无人机常用坐标系及坐标转换2.1无人机常用坐标系2.1.3气流坐标轴系、速度坐标系、风轴系（OaXaYaZa）原点Oa：取在飞机质心处，坐标系与飞机固连。纵轴OXa：与飞机速度的方向一致，不一定在飞机对称平面内。立轴OZa：在飞机对称平面内且垂直于OXa轴指向机腹横轴OYa：垂直于XaOaZa平面指向右方。2无人机常用坐标系及坐标转换2.2无人机各轴系关系2.2.1机体轴系与地轴系姿态角机体坐标系与地面惯性坐标系之间的夹角就是飞机的姿态角

8、，又称欧拉角。俯仰角θ：机体轴OX与地平面（水平面OgXgYg）之间的夹角，飞机抬头为正。偏航角Ψ（方位角）：机体轴OX在水平面OgXgYg上的投影与地轴OgXg之间的夹角，以机头右偏为正。滚转角Φ（倾斜角）：飞机对称面绕机体轴X转过的角度，右滚为正。2无人机常用坐标系及坐标转换2.2无人机各轴系关系2.2.1机体轴系与地轴系由地轴系到体轴系的坐标转换矩阵绕???转动Ψ绕?