微型扑翼飞行器控制技术研究

【摘要】：近年来,随着微纳米技术和微机电系统的蓬勃发展,微型扑翼飞行器的研究也受到越来越多人们的重视,因其在国防、民用许多领域有着同类型的固定翼和旋翼飞行器无可比拟的优势,许多国家斥巨资对此项目进行各项基础研究,大大加强了在此领域的研究力度。 本论文主要是探索微型扑翼飞行器的控制技术。重点从仿生学原理出发建立了飞行器的运动模型,分析各种控制器的设计方法,并进行了实际的样机制作与试验分析。 从生物学的观点看,鸟类和昆虫之所以能获得高超的飞行技能是基于以下两个因素:(1)通过扑翼飞行的非定常空气动力学特性提供较大的力和力矩的能力,(2)性能完善的传感和神经控制系统。受昆虫的启发,本文分析了一款实际制作的微型扑翼飞行器(FMAV)各参数的可控性。提出了一种工程近似的方法来计算扑翼飞行的气动力,在此基础上利用牛顿定律写出了空间运动刚体的运动学和动力学方程,建立了微型扑翼飞行器的简化数学模型。 按照传统控制理论的小扰动假设,将飞行器的运动分为纵向运动和横侧向运动两组,针对这两组不同的运动分析了各自的运动特征,设计出适合各自特征的控制子系统:阻尼器、增稳系统、姿态控制系统、轨迹控制系统等。从技术的角度看,简单的比例反馈控制方法就可以实现飞行器各种飞行模态的控制,因此本文控制器的设计主要使用此种方法。 针对微型扑翼飞行器的非线性特点,本文还分析了将一些现代的控制理论应用到飞行器控制上的可行性,设计了纵向运动的轨迹跟踪系统和最优控制系统,还设计了微型扑翼飞行器的悬停控制器,验证了飞行器的机动性,最后利用神经网络技术设计了自适应校正控制系统,验证了用神经网络解决飞行器非线性问题的可行性和优越性。 飞行器的具体试验制作和遥控控制也是本文工作的一个重要部分。针对飞行器重量小、带载能力差的特点,介绍了适合此类飞行器特点的各种遥控元器件的选择和三种不同的舵面控制方法,并简要介绍了微型扑翼飞行器的升力测量系统,对试验数据进行了简单的分析,并总结出了扑翼升力随各可变参数变化的规 西」七工业大学硕士学位论文.摘要 律。 文章的最后部分对本论文的工作进行了总结,并讨论了未来的研究重点和方 【关键词】微型扑翼飞行器数学模型控制系统最优控制神经网络仿真