六自由度可独立操控旋翼飞行器飞行动力学与控制研究

作     者：解永刚 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李攀

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：多旋翼飞行器 飞行力学与控制 最优控制 飞行动力学建模 飞行仿真 

摘      要：传统多旋翼飞行器通过姿态的直接控制来间接控制平移速度和位置,无法实现空间六自由度运动的独立操控,限制了其在复杂空间环境下的适应性和交互能力。本文针对一种可实现空间六自由度运动独立操控的四旋翼飞行器开展飞行力学与控制问题研究,从能耗最小的角度,认识和分析了稳定飞行状态的最优配平特性和瞬态过渡飞行的最优控制规律,为该类飞行器的飞行控制系统设计奠定基础。首先,采用多体动力学和旋翼空气动力学相关理论和方法,建立了该四旋翼飞行器的飞行动力学模型。为更真实的模拟其能耗特性,在旋翼气动建模中考虑了旋翼相对空气的垂向运动速度对拉力和需用功率的影响。在此基础上,建立了该飞行器在任意悬停和平飞状态下的平衡方程,针对其过驱动、欠定系统的特点,以能耗最小为目标,进行了不同姿态和不同速度下的最优配平计算,分析了能耗最小平衡状态的操纵规律以及力和力矩之间的平衡关系。然后,基于最优控制理论,采用非线性数学规划方法,对定速变姿态和定姿态变速瞬态过程的能耗最小控制律进行了数值分析,总结了该飞行器能耗最小最优控制下的操纵与运动规律。最后,以能耗最小最优控制律作为前馈操纵输入,对定速变姿态和定姿态变速瞬态过程进行了仿真,通过与常规PID反馈控制仿真的对比,验证了最优控制律在姿态和速度独立运动下的能耗最小特性。