变体无人机动力学模型及切换控制研究

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1、第29卷第1期2012年2月沈阳航空航天大学学报JournalofShenyangAerospaceUniversityVOL29No．1Feb．2012，-+。+“+”+。—+-。■一。、{航空宇航"1-程}k-+-+一+一+一+一+-J文章编号：2095—1248(2012)01—0001—05变体无人机动力学模型及切换控制研究苏铁e，董朝阳3，侯砚泽6(北京航空航天大学a．航空科学与工程学院．b．自动化科学与电气工程学院，北京100191)摘要：针对能够在飞行过程中进行结构变形的变体无人机，考虑由变形引起的气动力与力矩，惯性力与力矩的非

2、线性变化，建立其在质点系假设条件下的多体动力学模型。根据切换系统理论，将变体无人机视为一类线性切换系统，选择设计点，采用极点配置方法针对各设计点处的线性子系统设计控制器，再制定以变形量为决策变量的控制切换方案，构成切换控制系统。通过建立公共Lyapunov函数，推导了能够保证闭环切换系统在结构变形过程中一致有界的充分条件。以变体无人机Fire．Bee为例，验证了方案的有效性，仿真结果表明闭环系统无论在固定结构下还是变形过程中都具有良好的动态特性。关键词：变体无人机；多体动力学建模；切换控制中图分类号：V249．121文献标志码：Adoi：10

3、．3969／j．issn．2095—1248，2012．01．001ModelingandswitchingcontrolofmorphingUAVSuTie8，DongChao-yan98，HouYan—ze6(a．SchoolofAeronautics；b．SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering，BeihangUniversity，Beijing100191)Abstract：AmorphingUAV(UnmannedAerialVehicle)Canperformstructu

4、ralshapechangesduringflight，whichcausestheaeroforces，moments，andtheinertialforces，momentstovarynon-linearly．Thedynamicalequationsbasedonthemulti-·bodymodelarefirstderivedattheconditionofpointmassapproxi·-marion．ThemorphingUAVisthendescribedasalinearswishedsystemswitchedduri

5、ngthestructuralshapechanging．Thecontrollerofeachsubsystemisdesignedbasedontheeigenstructureassignmentmeth—od．ThecontrollersCanbeswitchedaccordingtotheswishinglawdeterminedbytheshapechanges．Asuf-ficientconditionisdeducedusingthecommonLyapunovfunctionmethod，whichguaranteesthe

6、closed—loopswishedsystemuniformlyboundedwithinthewholeshapechangingrange．Finally，amorphingUAVFire—Beeischosentovalidatethemethod．Simulationresultsshowthattheclosed—loopswitchedsystemperformswellinbothcasesofthestaticstructureflightandthedynamicstruc—tureflight．Keywords：morp

7、hingUAV；multi—bodydynamicalmodeling；switchingcontrol变体无人机能够通过在飞行过程中的结构变形来拓宽其飞行包线，同时在飞行包线内的不同区域都能拥有较高的气动效率‘1

8、。然而，飞行过程中的结构变形会引起重心位置、转动暖量、机翼展长、机翼面积等构型参数的改变，还会引起气动力与力矩，惯性力与力矩的非线性变化，导致模型具有较强的时变性和不确定性。变体无人机的动力学建模及控制系统设计存在诸多问题和难点，7收稿日期：2011—11—0l基金项目：国家自然科学基金(项目编号：60974014)作者简介：苏铁

9、(1986一)，男，四川绵阳人，硕士研究生，主要研究方向：飞行动力学与控制，E-mail：unliverl@gmail．com；董朝阳(1966一)，男，河北平乡人