基于涵道式单旋翼的无人飞行器研究

  

   本书结合无人飞行器的很新发展，对涵道式单旋翼的无人飞行器进行研究，包括动力学建模、飞控系统、姿态控制等。全书共11章，主要内容包括：涵道式无人飞行器概述，坐标系及其变换，大气扰动，螺旋桨的气动理论，舵面及涵道的空空气动力学分析，涵道式无人飞行器的数学模型，涵道式无人飞行器的飞控系统，飞行器姿态控制器设计，飞行器悬停状态鲁棒满意容错控制，针对飞行器大角度机动的跟踪控制，多无人飞行器协同任务简介。本书可供飞行器领域的研究人员和工程设计人员学习、参考。

   任小璐，女，哈尔滨工业大学控制科学与工程专业博士，哈尔滨学院教师。主持哈尔滨学院青年博士科研启动基金项目：小区安防飞行器的非线性控制方法研究。参与黑龙江省教育科学规划课题：基于“供给侧”改革理论的应用型高校工科专业人才培养模式研究。

   第1章涵道式无人飞行器概述1

1.1涵道式无人飞行器的特点1

1.2涵道式无人飞行器的工作原理2

1.3涵道式无人飞行器的发展现状4

1.3.1涵道式无人飞行器的国外发展现状4

1.3.2涵道式无人飞行器的国内发展现状8

1.4涵道式无人飞行器飞行控制技术研究现状9

第2章坐标系及其变换12

2.1常用坐标系12

2.1.1本体坐标系12

2.1.2地面坐标系13

2.1.3速度坐标系13

2.1.4航迹坐标系13

2.2飞行器的运动参数13

2.2.1飞行器的姿态角13

2.2.2航迹角14

2.2.3攻角与侧滑角14

2.3坐标变换14

2.3.1地面坐标系与本体坐标系间的变换14

2.3.2本体坐标系与速度坐标系间的变换15

2.3.3航迹坐标系与速度坐标系间的变换15

2.3.4本体坐标系与航迹坐标系间的变换16

2.4四元数法16

2.4.1四元数的运算法则16

2.4.2用四元数表示旋转18

2.4.3用四元数表示坐标变换20

2.4.4四元数与欧拉角的关系22

第3章大气扰动24

3.1大气的静态特性24

3.2伯努利方程25

3.2.1理想流体的运动微分方程25

3.2.2理想流体的能量方程26

3.2.3实际流体的能量方程26

3.3气体的黏性27

3.3.1质量守恒定律――连续方程28

3.3.2动量守恒定律――运动方程29

3.3.3能量守恒定律――黏性流体的能量方程33

3.4压缩性37

3.5大气的动态特性38

第4章螺旋桨的气动理论40

4.1叶素理论40

4.2动量理论42

4.3涡流理论44

第5章舵面及涵道的空气动力学分析47

5.1计算流体力学介绍47

5.2理论基础48

5.2.1复势函数及复速度48

5.2.2典型复势50

5.2.3空气动力学基本方程的建立53

5.2.4计算空气动力学的基本方法56

5.3面元法57

5.4空气动力学模型的简化61

5.4.1气体性质假设61

5.4.2简化的流体力学模型62

5.5舵面仿真分析63

5.5.1舵的几何外形的计算63

5.5.2舵的表面压力计算64

5.6涵道的动力学分析66

5.6.1涵道周围流场仿真67

5.6.2涵道的简化分析69

第6章涵道式无人飞行器数学模型72

6.1基本假设72

6.2非线性数学模型的建立72

6.3小扰动线性化77

第7章涵道式无人飞行器的飞控系统83

7.1测量元件83

7.1.1陀螺敏感器83

7.1.2加速度传感器86

7.1.3高度传感器87

7.2GPS接收机88

7.3遥控遥测和地面监测89

7.4执行机构90

7.4.1电液伺服阀和作动筒的工作原理90

7.4.2位移传感器的工作原理92

第8章飞行器姿态控制器设计93

8.1不确定性的定义93

8.2不确定性的来源94

8.3状态反馈H∞控制器设计95

8.3.1标准的H∞控制问题95

8.3.2状态反馈H∞控制方法97

8.4状态反馈H∞-D稳定性控制98

8.4.1问题描述98

8.4.2H∞-D稳定性分析99

8.4.3H∞-D稳定状态反馈控制器设计103

8.4.4飞行器姿态控制数值仿真研究109

8.5输出反馈H∞-D稳定控制113

8.5.1问题描述114

8.5.2动态输出H∞-D稳定反馈控制器稳定性分析115

8.5.3动态输出H∞-D稳定反馈控制器设计119

8.5.4飞行器姿态控制数值仿真研究120

8.6巡航状态下的姿态跟踪验证123

8.6.1轨迹控制律设计123

8.6.2仿真分析125

第9章飞行器悬停状态鲁棒满意容错控制128

9.1引言128

9.2针对飞行器执行器故障的D稳定H∞鲁棒容错控制128

9.2.1问题描述128

9.2.2飞行器执行器故障时D稳定H∞鲁棒容错控制器设计130

9.2.3执行器故障容错控制仿真研究132

9.3针对飞行器传感器故障的D稳定H∞鲁棒容错控制137

9.3.1问题描述137

9.3.2飞行器传感器故障的D稳定H∞鲁棒容错控制设计138

9.3.3传感器故障的容错控制仿真研究140

第10章针对飞行器大角度机动的跟踪控制144

10.1自适应滑模变结构控制的问题描述144

10.2趋近律设计方法145

10.3控制律设计146

10.4稳定性分析148

10.5姿态控制仿真结果148

第11章多无人飞行器协同任务简介154

11.1多无人飞行器协同任务的意义154

11.2多无人飞行器协同任务的国内外研究成果154

参考文献157