三旋运动研究论文提纲

论文题目：倾转三旋翼无人机设计分析与运动控制技术研究

摘要：由于固定翼无人机不能垂直起降,多旋翼无人机飞行速度低且效率不高,因此倾转旋翼飞行器得到广泛关注。倾转三旋翼无人机既具有旋翼飞行器垂直起降和易操纵的优点,又具备固定翼飞行器长航时和快速飞行的优点,且相比倾转双旋翼以及倾转四旋翼,在能源利用和稳定性方面具有优势。虽然倾转旋翼无人机拓宽了无人机领域的应用场景,但是旋翼倾转过程中实现其稳定飞行和高度保持一直是难点所在。在倾转过程中,无人机不但受到内部干扰（未建模动力学、非线性耦合和模型参数摄动等）和外部干扰产生的影响,而且还受到特有的旋翼倾转干扰力矩、操纵冗余以及升力转移的影响。为此,本文设计了一种控制稳定性好的倾转三旋翼无人机,重点针对从旋翼转换到固定翼模式的倾转过渡过程进行研究,提出了一套带干扰补偿的飞行稳定和高度保持非线性控制方法。本文的主要工作以及成果总结如下:（1）通过CFD计算方法分析了倾转旋翼与机翼之间的气动干扰,得到了一种倾转三旋翼的旋翼布局方案,减少了悬停状态下机翼对旋翼尾流的阻塞影响,提高了旋翼的气动效率。（2）分析了倾转三旋翼无人机升降、滚转、俯仰以及偏航状态的运动原理;建立了无人机空间运动的六自由度模型;由于无人机升力转移与操纵过渡过程主要在纵向对称平面内完成,将六自由度运动模型简化得到了纵向平面内三自由度运动模型,作为倾转过渡过程控制方案设计的基础;（3）针对无人机俯仰角系统这一类满足广义利普希茨条件的仿射非线性系统,提出了新型干扰估计器估计系统内、外持续扰动。分析了干扰反馈补偿原理,设计了干扰补偿方案,提升了俯仰角系统抗干扰的鲁棒性。该新型干扰估计器还解决了常用的干扰观测器对非光滑信号估计能力弱且大多不适用于多输入多输出系统两个问题,显著扩展了干扰观测器适用范围,提升了估计精度。（4）针对倾转三旋翼无人机俯仰角系统遇到的干扰突变问题,提出了两种带干扰补偿的预测控制器,解决了升降舵短时间内偏转至饱和以及系统输出发生过大超调问题。与传统预测控制算法相比,解决了其主要依靠预测时域长度调节系统性能,造成控制方式单一化问题。（5）针对倾转三旋翼无人机位置系统精确模型难以获得问题,首次将带有曲线路径跟踪功能的平面导航算法引入倾转旋翼无人机倾转过程飞行高度控制中,在无需任何位置模型参数条件下建立了位置系统与姿态系统的联系,简化了高度控制系统设计流程,解决了同类型的算法自适应性不强、可靠性不高、待整定参数数量多且整定过程复杂问题。（6）针对倾转过渡过程中存在的操纵冗余和升力转移问题,分析了操纵面对无人机飞行高度产生的影响,得到了飞行高度变化的根本原因,通过引入了前飞速度控制提出了一套旋翼倾转类无人机通用的操纵输入全自主分配方案,解决了常见的总操纵量半自主或自适应分配方法中存在的权重系数确定困难以及系统不稳定问题。

关键词：倾转三旋翼无人机;倾转过渡过程;高度保持;操纵冗余;升力转移;干扰估计器;预测控制

学科专业：飞行器设计

摘要

abstract

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 倾转旋翼飞行器国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 倾转旋翼飞行器总体设计研究概况

1.2.4 倾转旋翼飞行器飞行控制技术研究概况

1.3 本文主要工作

第二章 倾转三旋翼无人机的设计分析与运动建模

2.1 倾转三旋翼无人机设计分析

2.1.1 倾转三旋翼无人机设计分析

2.1.2 无人机性能对比

2.2 倾转三旋翼无人机受力分析

2.2.1 运动变量定义

2.2.2 力和力矩分析

2.3 倾转三旋翼无人机运动建模

2.3.1 运动学模型

2.3.2 动力学模型

2.4 倾转三旋翼无人机倾转过渡过程运动模型

2.5 倾转过渡过程高度保持控制系统设计难点分析

2.6 本章小结

第三章 干扰估计补偿理论与稳定性分析

3.1 适用于一类多输入多输出系统的干扰估计器设计与分析

3.1.1 多输入多输出系统动态线性化理论

3.1.2 干扰估计器设计

3.1.3 稳定性分析

3.2 适用于一类单输入单输出系统的干扰估计器设计与分析

3.2.1 单输入单输出系统动态线性化理论

3.2.2 干扰估计器设计

3.2.3 稳定性分析

3.3 干扰估计器估计性能仿真验证

3.4 干扰反馈补偿原理

3.5 本章小结

第四章 倾转三旋翼无人机俯仰通道预测控制器设计与分析

4.1 适用于一类多输入多输出系统的预测控制器设计

4.1.1 1-型预测控制器设计

4.1.2 闭环系统稳定性分析

4.1.3 仿真验证

4.2 适用于一类单输入单输出系统的预测控制器设计

4.2.1 2-型预测控制器设计

4.2.2 闭环系统稳定性分析

4.2.3 仿真验证

4.3 倾转三旋翼无人机俯仰通道控制器设计

4.3.1 干扰估计器设计

4.3.2 带有干扰补偿的俯仰通道1-型预测控制器设计

4.3.3 带有干扰补偿的俯仰通道2-型预测控制器设计

4.3.4 仿真验证

4.4 本章小结

第五章 倾转三旋翼无人机倾转过渡过程飞行高度控制系统设计

5.1 位置控制算法设计与分析

5.1.1 传统视线法

5.1.2 改进型视线法

5.1.3 算法仿真验证

5.2 倾转三旋翼无人机倾转过渡过程控制系统分析与设计

5.2.1 倾转三旋翼无人机倾转过渡过程控制面作用分析

5.2.2 倾转过渡过程飞行高度控制系统设计

5.3 本章小结

第六章 倾转三旋翼无人机倾转过渡过程控制系统仿真验证

6.1 升降舵作用下倾转过渡过程控制系统仿真验证

6.1.1 1-型预测控制器不同前飞速度不同倾转时间仿真验证

6.1.2 2-型预测控制器不同前飞速度不同倾转时间仿真验证

6.2 升降舵与推力协同作用下倾转过渡过程控制方案仿真验证

6.2.1 前飞速度u控制系统设计

6.2.2 倾转过渡过程控制方案仿真验证

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 本文主要创新点

7.3 后续展望

参考文献

致谢