阐释飞行器微型四旋翼飞行器总体设计及其运动制约

论文导读：66-69攻读硕士学位期间发表的学术论文清单69-70致谢70
摘要：微型四旋翼飞行器是一种结构简单、机动灵活性很高、可垂直起降的无人飞行器，具有极大的军用和民用价值。由于主体尺度小、飞行速度低，微型四旋翼飞行器的飞行雷诺数较低。同时，微型四旋翼飞行器也是一个具有空间6个自由度而只有四个输入的欠驱动系统。低雷诺数下的空气动力学不足和欠驱动系统的制约不足是当今微型四旋翼飞行器探讨中的难点和热点。本论文针对上面陈述的两个不足对微型四旋翼飞行器建立了有限元模型和系统动力学模型，分别探讨了微型四旋翼飞行器悬飞历程中的气动特性和姿态制约策略，并通过仿真试验进行了验证，本论文的探讨工作主要包括以下几个方面：首先根据经典力学与牛顿定律，建立了微型四旋翼飞行器的系统动力学数学模型，并通过引入制约变量和忽略阻力系数对数学模型进行了简化。其次以实际搭建的微型四旋翼飞行器平台为基础，在保持主体特点下尽量简化机身模型，通过UG软件生成了微型四旋翼飞行器机身实体，并在Ansys软件中完成了流场几何模型的建立和有限元网格划分。然后基于有限元策略对微型四旋翼飞行器施加多个边界条件进行了流固耦合仿真浅析，探讨了低雷诺数下微型四旋翼飞行器在悬飞历程中的周围的流场分布，揭示了微型四旋翼飞行器的气动特性变化规律，此外，将流场浅析得到的气动载荷加载到结构浅析模块，探讨了机身应力分布情况和流固耦合特性，得到机身最大应力所在位置及其振动特性。最后针对飞行器竖直向上飞行方式设计了线性化的PID制约器，运用SIMULINK搭建了仿真模型，调整PID参数后的仿真结果验证了制约系统的有效性。此外，对非线性的系统动力学模型设计了Backstepping制约器，利用Backstepping策略，求出了四个通道的Backstepping制约率，通过MATLAB编写数值计算程序，运转结果表明所设计的制约器能够很好的实现定点悬停和轨迹跟踪飞行任务。关键词：微型四旋翼飞行器论文有限元模型论文流固耦合论文气动特性论文姿态制约论文PID论文反步法论文
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ABSTRACT6-9
第一章 绪论9-15

1.1 探讨背景9-10

1.2 四旋翼飞行器的历史进程10-11

1.3 四旋翼飞行器的探讨进展与动态浅析11-13

1.3.1 低雷诺数下的空气动力学与数学建模11-12

1.3.2 飞行制约和编队飞行12-13

1.3.3 动力装置技术13

1.3.4 机载元器件的 MEMS 制造集成技术13

1.4 探讨作用13-14

1.5 本论文主要工作安排14-15

第二章 四旋翼飞行器飞行原理与数学建模15-23

2.1 引言15

2.2 机体结构与飞行原理15-17

2.3 流固耦合制约方程17-18

2.4 运动方程18-21

2.4.1 坐标系与转换矩阵18-19

2.4.2 线运动方程19-20

2.4.3 角运动方程20-21

2.5 本章小结21-23

第三章 微型四旋翼飞行器的气动与振动特性23-39

3.1 引言23

3.2 流固耦合计算步骤23-24

3.3 有限元模型与网格划分24-28

3.1 机身模型24-25

3.2 流场模型25-28

3.4 边界条件28-29

3.4.1 流场边界28-29

3.4.2 机身边界29

3.5 仿真结果浅析29-38

3.5.1 流场特性浅析29-35

3.5.2 结构静力学浅析35-36

3.5.3 模态浅析36-38

3.6 本章小结38-39

第四章 微型四旋翼飞行器的姿态制约39-64

4.1 引言39

4.2 PID 制约器39-47

4.

2.1 LPV 制约39-40

4.

2.2 PID 策略40-41

4.

2.3 基于 PID 的飞行制约系统设计41-43

4.

2.4 仿真与结果浅析43-47

4.3 Backstepping 制约器47-63
4.

3.1 Backstepping 策略47-50

4.

3.2 基于 Backstepping 的飞行制约系统设计50-56

4.

3.3 仿真与结果浅析56-63

4.4 本章小结63-64
第五章 总结与展望64-66

5.1 总结64-65

5.2 展望65-66

参考文献66-69
攻读硕士学位期间发表的学术论文清单69-70
致谢70