微型飞行器系统设计..ppt

微型飞行器设计导论 南京航空航天大学 微型飞行器研究中心 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 p微型飞行器控制系统设计 u飞行动力学建模 u飞行动力学特性分析 u控制系统设计 u信息传输系统设计 u能源与动力系统设计 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行动力学建模 u质心运动学方程 l质心动力学方程 l质心运动学方程 u旋转运动方程 l旋转动力学方程 l旋转运动学方程 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行动力学建模 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 ——考虑螺旋桨滑流作用的MAV质心运动方程 p考虑螺旋桨滑流影响的MAV气动工程化模型 Ø 航迹坐标系下质心动力学方程 Ø 航迹坐标系下质心运动学方程 pMAV飞行动力学建模 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 Ø MAV绕质心旋转动力学方程 Ø MAV绕质心旋转运动学方程 ——考虑螺旋桨滑流作用的MAV旋转运动方程 pMAV飞行动力学建模 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 ——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 Ø MAV运动参数变化规律 ü 在任意飞行状态下，MAV各运动参数变化趋势可分为单调变化与周期 性振荡变化两种模态，每个模态都存在稳定与不稳定两种情况 。

ü 运动的模态特征可由特定数量的特征参数来完全表示振荡运动模态 特征可由阻尼比、固有频率、频率、周期、半衰周期或倍幅周期来描 述；单调运动模态特征可选取半衰周期或倍幅周期来描述 ü MAV受扰动后，其纵向运动响应主要表现为迎角变化，横侧向运动响 应主要表现为侧滑角变化 pMAV非线性飞行动力学特性研究 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 Ø 在任意初始状态基础上对MAV飞行进行数值仿真 Ø 对仿真数据进行分析，获得该状态下MAV相应飞行品质 Ø 在飞行包络线范围内，对MAV进行飞行品质分析 u 具体步骤： Ø 获得精确数学模型 ——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u 结果： 阻尼比相对对迎角扰动扰动 与速度规则规则 曲面 阻尼比随速度变变化曲线线 阻尼比随迎角偏差变变化曲线线 MAV俯仰角运动模态阻尼比全状态分析结果 ——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 周期相对对迎角扰动扰动 与速度规则规则 曲面 周期随速度变变化曲线线 周期随迎角偏差变变化曲线线 MAV俯仰角运动模态周期全状态分析图 u 结果： ——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 半衰周期相对侧对侧 滑扰动扰动 与速度规则规则 曲面 半衰周期随速度变变化曲线线 半衰周期随侧侧滑偏差变变化曲线线 MAV滚转角运动模态半衰周期全状态分析图 ——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法 pMAV非线性飞行动力学特性研究 u 结果： 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行控制与导航系统设计 n飞行控制与导航系统结构 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 Ø MAV导航系统特点 ü 导航系统任务复杂：剧烈的姿态、位置变化 ü 系统硬件最优组合 ： 尺寸与有效载荷的限制 ü 系统精度、可靠性：微型MEMS电子元器件 pMAV飞行控制与导航系统设计 nMAV导航系统 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 捷联惯导 GPS 微型空速计 微型高度计 pMAV飞行控制与导航系统设计 nMAV导航系统 Ø MAV导航系统方案 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行控制与导航系统设计 nMAV导航系统 Ø MAV导航系统结构 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行控制与导航系统设计 nMAV导航系统 Ø MAV导航系统硬件 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 l姿态测量系统设计： ——基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u状态空间模型 Ø 四元数结构下的姿态运动学方程 Ø 加入陀螺漂移量进行补偿，构成状态矢量 漂移量为随机 变量 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 l三轴加速度计测量值lGPS数据获得加速度 l姿态测量系统设计： ——基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u测量空间模型 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 l两个加速度之间的关系 l姿态测量系统设计： ——基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u测量空间模型 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 l姿态测量系统设计： ——基于卡尔曼滤波的多传感器组合测量姿态 u仿真结果 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 uMAV质心运动学方程的一般形式 Ø 基于GPS信号的MAV导航信息提取 可靠性 实时性 Ø 基于纯惯导的MAV导航信息提取 Ø 基于气压传感器信息的MAV导航信息提取 l位置、速度测量姿态测量系统设计： ——多传感器导航信息优化 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u优化原理 Ø 在GPS信息有效的情况下，利用GPS定位与测速是最为直接简 便的，测量精度也满足MAV导航要求 Ø 纯惯导方式在组合导航中的权重也应随着工作时间的增加而不 断减小 Ø 基于空速计与高度计信息的导航算法有效性随着外界风速的增 大而减小,飞行迎角与侧滑角的增大也会减小这一算法的精度 l位置、速度测量姿态测量系统设计： ——多传感器导航信息优化 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u组合算法获取MAV质心位移速度 p权重系数： l位置、速度测量姿态测量系统设计： ——多传感器导航信息优化 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u仿真结果 l位置、速度测量姿态测量系统设计： ——多传感器导航信息优化 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行控制与导航系统设计 n飞行控制系统流程 导航系统 控制系统 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 pMAV飞行控制与导航系统设计 n飞行控制系统方案 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制原理 微型飞行器在类型、布局形式上具有多样性。

不同类 型不同布局形式的微型飞行器在操控方式上存在很大差异 但在微型飞行器飞行控制中所涉及到的控制思想与控制 原理又具有一致性 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制原理 l控制的基本思想：反馈 l反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行 测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节 控制系统的响应 l控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地 纠正系统 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 飞行控制律，即飞行控制系统形成控制指令的算法 飞行控制律描述了受控状态变量与系统输入信号之间 的关系 当微型飞行器飞行状态得到正确测量后，与期望值进 行比较，飞行控制律就是根据两者之间的差异，来决定微 型飞行器执行何种操纵，来消除实际值与期望值之间的差 异 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 目前，微型飞行器飞行控制律设计中，普遍采用的有 PID控制方法、模糊控制方法等 下面，以固定翼微型飞行器俯仰姿态控制为例，来介 绍各类常用的飞行控制方法。

微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 lPID控制 PID （比例- 积分- 微分）控制器作为最早实用化的控制器 已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决 条件，因而成为应用最为广泛的控制器，在微型飞行器飞行控 制中也得到广泛应用 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 •PID控制使用中只需设定三个参数（Kp， Ki 和Kd）即可 •在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中 的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的 u微型飞行器飞行控制律 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 比例（P）控制 控制器的输出与输入误差信号成比例关系当仅有比 例控制时系统输出存在稳态误差； 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳 态后无稳态误差； 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会出现振荡甚至失稳增加 “微分项”能预测误差变化的趋 势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制 误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量 的严重超调 u微型飞行器飞行控制律 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 俯仰俯仰 姿态控制姿态控制 （比例（比例- -微分控制）微分控制） 参数：kP、kD 动力学模型动力学模型 分析分析 人员人员 调试经验调试经验 PD 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 l模糊控制 模糊控制是基于模糊数学的基本思想和理论的控制方法 特点： 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 l模糊控制 人员操纵微型飞行器飞行时，通过观察微型飞行器飞 行姿态与轨迹，对其飞行进行控制当操纵人员获得观测 数据时，根据所积累的知识和操纵经验，做出决策，并采 取相应的控制动作显然，这种决策过程不是通过精确的 定量计算，而是依靠定性的或模糊的知识。

微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 l模糊控制 例如，在纵向姿态控制时，操纵人员所感知的只是纵 向姿态的概念量，比如说“俯仰角非常偏大”，他使用这一概 念与头脑中已有的控制经验和模式相匹配，得到“俯仰角非 常偏大应该推杆使升降舵较大正偏”的推断，进而由控制机 构将“推杆使升降舵较大正偏”按照某定量值执行，从而完成 整个飞行控制过程的一个循环 微型飞行器设计导论微型飞行器设计导论 微型飞行器系统设计微型飞行器系统设计 u微型飞行器飞行控制律 l模糊控制 微型飞行器模糊飞行控制律设计步骤： Ø 建立微型飞行器各状态参数及控制量的模糊集。