多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究
韩涛逊 王冠达 钟河山 谭涵聪 徐海馨 邓岚惠
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韩涛逊 王冠达 钟河山 谭涵聪 徐海馨 邓岚惠,. 多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[J]. 装备技术研究,2024.9. DOI:10.12721/ccn.2024.157369.
摘要:
多旋翼飞行控制器的结构并不复杂,并且具有较高的机动性能,在各个领域中都实现了良好的应用。为了有效的提升多旋翼飞行器飞行控制的精准性,需要对多旋翼飞行器结构及飞行运动规律进行研究。
关键词: 多旋翼飞行器;建模;飞行控制;技术
DOI:10.12721/ccn.2024.157369
基金资助:

多旋翼飞行器能够进行多元化的工作,完成自主飞行工作任务。多旋翼飞行器结构较为简单,飞行稳定性较高,携带较为方便。为了能够使多旋翼飞行器在更多的领域中应用,还需要对多旋翼飞行器的控制精准度进行深入的分析和研究。

一、多旋翼飞行器飞行控制技术

随着控制理论和控制方法的不断更新和完善,多旋翼飞行器控制技术能力和水平不断的提升,对于促进我国航空航天事业的发展发挥了重要作用。航空航天事业在发展过程中,对飞行器的功能要求不断的提升,促使飞行器系统的结构和构造越发复杂,对飞行器控制系统控制能力的提升提出了更高的要求。

(一)回馈递推控制方法

回馈递推控制方法属于非线性系统自适应控制器应用的控制方法。回馈递推控制方法在应用过程中能够将结构复杂的高维线性系统进行科学合理的划分,并将其分解为多个子系统,从而能够从最远的子系统实施有效的控制。在控制过程中能够实现每个系统都设置针对性的函数,是飞行控制系统的自适应律得到有效的满足,达到对输入量进行控制的目标,同时还能够对控制系统实施全方位调节和控制。回馈递推控制方法可以最大限度的满足非线性增加需求,具体的匹配条件要求也相对较低,规避了系统非线性的特征,获得了该领域相关人员的重点关注。

(二)反馈线性方法

反馈线性方法是当前非线性控制过程中普遍使用的控制方法,随着控制技术水平的不断提高,控制方法也相对较为成熟。反馈线性控制方法在应用过程中更加适用于在非线性状态下的系统应用,并且不断的对原有系统内的非线性特征,能够将传动闭环系统根据系统控制需要转变为线性系统,使用成熟和完善的线性系统,能够对线性系统对控制器的各项功能进行结构性设计。

二、多旋翼飞行器非线性数学模式

多旋翼飞行器由于其结构具有一定的复杂性,在飞行过程中还具有一定的耦合不确定性特点,致使对多旋翼飞行控制系统产生了较大的影响。为了能够保证飞行器在飞行过程中的安全性,需要对飞行控制系统进行科学合理的设计,最关键的是需要对飞行控制器的结构设计进行确定,对多旋翼飞行器系统在使用过程中的旋转和运动规律进行分析和掌握,并且对多旋翼飞行器系统的各项结构和功能进行系统性的描述,从而为构建多旋翼飞行器线性数学模型提供参考,使飞行器各项结构功能的设计符合其自身的运动规律。

(一)多旋翼飞行器非线性数学模型假设

多旋翼飞行器非线性数学模型构建过程中,首先,需要假设地球是标准圆形,在构建非线性数学模型内还需要忽略地球自转对飞行器飞行轨迹的影响。其次,还需要对多旋翼飞行器负载情况进行忽略,并且要将多旋翼飞行器质心位置保持固定在机体纵轴线上;最后,要将多旋翼飞行器看做为刚体,使其在飞行过程中对飞行器的弹性变形暂定忽略。

(二)坐标系定义

在多旋翼飞行器非线性数学模型构建过程中,设计人员需要合理借鉴坐标体系,并且要根据不同坐标系对多旋翼飞行器运动参数和运动特点的描述,对多旋翼飞行器控制系统的各项功能进行科学的设计,并将参数和运动特征作为设计的基础。为了确保多旋翼飞行器控制系统进行更加完善的设计,需要对多旋翼飞行器飞行运动规律进行全面的分析,合理的选择坐标体系,这样才能将多旋翼飞行器运动的参数进行确定。根据坐标系的定义,需要完成以下设计内容。首先,地面坐标系。地面坐标系在设计过程中可以任意选择地面上的一点O,在水平面上将X轴指向特定方向,并且要保证X轴要垂直于地面,并指向地面;Y轴垂直于X轴,同样在水平面上,根据特定的规则进行确定。其次,机体坐标轴系。机体坐标轴系需要以飞行器的质心设为原点,坐标系和飞行器间要进行紧密的联系。X轴平行于飞行器对称平面,并且要指向多旋翼飞行器机身前面;在设计过程中要将Y轴平行于飞行器的对立面,并指向飞行器的左侧,Y轴应保持处于飞行器的对称面上,并且在设定过程中要满足右手定则。

(三)运动学方程

多旋翼飞行器数学模型的构建,最关键的作用是能够对多旋翼飞行器控制系统的各项功能进行优化,提升控制水平。在飞行器控制系统内部可以利用输入微方程与输出微分方程的方式对系统控制原理进行了解。将M作为飞行器自身的质量,在数学模型构建过程中,可以构建两个运动方程,即力矩向量和外力向量。通过运动学规律分析后,构建的飞行器运动学方程为:mv+Ω✱mv=f

 jΩ+Ω✱jΩ=m

在方程中v代表了多个旋翼飞行器在坐标轴之内,线性速度分量与角速度分量,J代表了多旋翼飞行器惯性矩阵。

(四)飞行运动特征分析

(1)运动状态变量之间的关联分析。根据多旋翼飞行器数学模型构建可以了解到,在不同的运动状态下,数学模型中的变量关系是发生改变的。多旋翼飞行器动力矩矢量发生改变后,飞行器的角速度也会发生改变;多旋翼飞行器姿态速度发生改变时,多旋翼飞行器姿态角也会产生较大的变化;在数学模型构建过程中还了解到,如果多旋翼飞行器姿态角和升力发生改变,那么多旋翼飞行器空间位置也会发生相应的改变。

(2)开环特征分析

在研究过程中为了能够对多旋翼飞行器飞行的规律和调整进行更加直观的了解,根据构建的多旋翼飞行器非线性数学模型,能够对飞行器控制系统进行了解,掌握飞行器飞行运动的规律和特征。同时还能够根据飞行器飞行运动数值的仿真计算分析,对多旋翼飞行器系统运行的稳定性进行掌握,随着运动范围变化的扩大,飞行器的性能也发生变化。因此,要想从根本上提升飞行器控制系统的控制能力,还需要对飞行器控制系统进行更加深入的研究。

三、结束语

我国多旋翼飞行器建模与飞行控制技术还需要进行深入研究,这样才能不断的提升多旋翼飞行器控制的精准度,达到良好的控制效率,为多旋翼飞行器在更多领域中的应用提供可安全保障。

参考文献:

[1]高翔, 张烁, 何仁,等. 可倾转四旋翼飞行器动力学建模与反步控制[J]. 工业控制计算机, 2022, 35(9):5.

[2]颜家彬, 龙长江, 李善军. 农用多旋翼飞行器串级分数阶PID控制[J]. 华中农业大学学报, 2020(005):039.

[3]朱文杰, 徐胜, 苏成悦. 多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器[J]. 电光与控制, 2021, 28(7):6.

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