Hex-Rotor无人飞行器及其飞行控制系统设计

提出了一种Hex-Rotor无人飞行器以克服现有多旋翼飞行器的欠驱动和强耦合特性对其飞行控制效果的影响,利用6个旋翼独特的结构配置来保证飞行器独立控制空间六自由度的能力。介绍了这种新型飞行器的结构特点并建立其动力学模型,引入滤波反步法与自抗扰算法设计了具有双环并行结构的飞行控制系统,在数字仿真中实现了飞行器的空间六自由度独立控制并克服了未知外部扰动以及模型不确定性带来的影响。结果显示,原型机试飞实验中,飞行器的水平位移跟踪误差不超过±4m,高度误差不超过±3m,姿态角误差不超过±0.05rad,均保持在传感器的测量误差范围内,飞行器较为准确地跟踪了期望指令。仿真和实验结果证明了该新型Hex-Rotor飞行器具有期望的六自由度独立控制能力,建立的数学模型准确,设计的飞行控制系统能够实现轨迹与姿态跟踪飞行。     

四旋翼微型飞行器的区间二型模糊神经网络自适应控制

针对四旋翼微型飞行器控制系统中存在不确定性、外界干扰等影响控制精度的问题,提出了基于区间二型模糊神经网络(IT_IIFNN)的四旋翼微型飞行器自适应控制方案.首先,根据四旋翼微型飞行器的动力学模型,设计了基于IT_IIFNN的四旋翼微型飞行器自适应控制器,该控制器由两部分构成,其中IT_IIFNN用来在线逼近系统不确定性;鲁棒补偿器用来实时补偿IT_IIFNN的逼近误差以及外界干扰.其次,利用Lyapunov稳定理论证明此飞行器控制系统闭环稳定性.最后,通过四旋翼微型飞行器样机来验证IT_IIFNN自适应控制器的优越性.验证结果显示,在加入风速为1.5 m/s的外界干扰条件下,跟踪误差可近似达到10-2.结果表明,IT_IIFNN自适应控制器具有良好的跟踪精度、稳定性及鲁棒性.     

四旋翼飞行器中升力波动的干扰与抑制

四旋翼飞行器旋翼产生的升力是在基值的基础上附加一系列频率特性和旋翼转速有关的高频分量。由于它会对飞行器的控制产生扰动,本文研究了这类高频升力分量对飞行器的影响并给出了抑制扰动的方法。首先,基于拉格朗日能量法建立四旋翼飞行器动力学模型;进而分析了高频升力分量与飞行器角速度扰动之间的关系。然后,将角速度反馈环节加入针对有色噪声的卡尔曼滤波器来抑制角速度扰动对控制器的影响。实验结果显示：与改进前相比,采用本文的方法对四旋翼原型机进行悬停控制可使控制量波动减少50%,高频控制量衰减至-17db以下。结果表明：采用本文的方法,可以有效地抑制升力波动对四旋翼飞行器的影响,提高飞行控制效率。     

四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证

为了解决四旋翼飞行器在外界扰动影响和系统模型参数存在不确定性情况下的精确轨迹跟踪控制问题,设计并验证了一种四旋翼飞行器的非线性轨迹跟踪控制器。首先建立了考虑执行机构特性的四旋翼飞行器数学模型,并将虚拟控制量映射到了实际中对电机的控制;然后通过在反步法轨迹跟踪控制中加入积分项,设计了一种基于积分型反步法的非线性轨迹跟踪控制器,消除模型参数不确定性及外界干扰引起的误差,仿真结果验证了该方法的可行性;最后,利用QBall2四旋翼飞行实验平台,对所设计的非线性轨迹跟踪控制器进行验证,实际飞行实验结果表明了所设计控制器的有效性,提高了实际飞行过程中外界干扰和不确定性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的精度。     

悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转设计及升力性能分析

为提高旋翼型微型、小型飞行器桨叶的升力性能,建立了一套基于悬停状态下的单旋翼、共轴双旋翼桨叶扭转设计方法。该方法通过理论推导和程序计算得到单旋翼的桨叶扭转几何安装角,考虑桨尖涡对桨叶几何安装角的影响,对桨尖的扭转几何安装角进行了修正,实现悬停状态下单旋翼桨叶扭转设计;考虑到桨尖涡以及上下旋翼间的气动干扰,对共轴双旋翼上、下旋翼进行了悬停状态下几何安装角的扭转设计,并对所设计的单旋翼、共轴双旋翼进行模拟仿真测试,仿真结果表明悬停状态下该方法设计的扭转单旋翼、共轴双旋翼与非扭转旋翼相比升力分别提升8.83%、35.87%;同时对水平风阻、翼展、转速对桨叶升力的影响进行了仿真模拟。     

基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。     

旋翼间距对微型四旋翼无人机负载特性影响

结合雷诺平均N-S(Navier-stokes)方程以及Laminar层流模型建立了微型四旋翼无人机旋翼流场的三维模型,通过求解N-S方程的方法,研究了微型四旋翼悬停状态下不同旋翼间距对其气动特性的影响。旋翼升力测量实验以及非定常计算得到的仿真误差为8.17%,验证了仿真数据的有效性。分别对升力、力矩以及悬停效率进行分析,得到了旋翼间距3.8 r是最佳的微型四旋翼间距方案的结论;进一步对单旋翼以及不同旋翼间距的流场进行分析得出旋翼之间的气动扰动可以改变翼尖涡的强度,从而产生不同的气动特性。     

高速开关阀控气动位置伺服系统的自适应鲁棒控制

针对高速开关阀控气动位置伺服系统所具有的模型参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,为实现气缸的高精度运动轨迹跟踪控制,设计了基于标准投影映射的自适应鲁棒控制器。该控制器通过在线最小二乘参数估计来减小模型中参数不确定性,利用基于反步法设计的非线性鲁棒控制来抑制参数估计误差、不确定非线性以及外干扰的影响,从而保证一定的瞬态性能和高的气缸运动轨迹控制精度。由于运用了标准投影映射以保证在线参数估计有界,控制器的两个部分可以独立进行设计。试验表明,所设计的控制器能获得良好的轨迹跟踪控制性能,对干扰具有较强的性能鲁棒性,系统跟踪幅值为0.09 m,频率为0.5 Hz的正弦期望轨迹时,最大绝对跟踪误差为1.51 mm,标准跟踪误差0.72 mm。     

混合动力多旋翼无人飞行器设计与气动特性研究

根据多旋翼无人飞行器油电混合动力系统的特点,为油电混合动力系统提出一种多旋翼无人飞行器,对提出的多旋翼无人飞行器进行结构设计,并利用FLUENT软件对所设计的多旋翼无人飞行器结构布局进行气动计算和分析。计算结果显示所设计的油电混合动力多旋翼无人飞行器结构之间存在气动干扰,随着气桨转速增大,气动干扰增强,总装产生总气动拉力会比气桨单独工作时产生的拉力要小,过高的螺旋桨转速会严重降低总体的气动拉力,因此螺旋桨转速必须加以限制。     

四旋翼飞行器非线性轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在复杂飞行条件下速度不可测的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在外界未知干扰和模型参数不确定的情况,提出了一种基于扩张观测器的轨迹跟踪控制方法。该方法设计了积分型反步法跟踪控制器,以降低系统的稳态误差,并引入了状态扩张观测器,来估计系统未知速度信息,同时对干扰和模型参数不确定因素进行实时估计并给予补偿;最后,选取李雅普诺夫函数证明了该控制系统的稳定性。以Quanser公司的Qball2四旋翼飞行器为研究对象和飞行实验平台,对所设计的控制器进行验证。实验结果表明,本文所设计的基于扩张观测器的轨迹跟踪控制器,能够有效地估计轨迹跟踪控制过程中的未知速度信息,解决外界未知干扰和模型参数不确定的问题,增强对环境的适应能力,有效提高了飞行器对未知干扰的鲁棒性和轨迹跟踪控制的精确性。     

Manufacturing Error Effects on Mechanical Properties and Dynamic Characteristics of Rotor Parts under High Acceleration

Stress, strain and vibration characteristics of rotor parts should be changed significantly under high acceleration, manufacturing error is one of the most important reason. However, current research on this problem has not been carried out. A rotor with an acceleration of 150,000 g is considered as the objective, the effects of manufacturing errors on rotor mechanical properties and dynamic characteristics are executed by the selection of the key affecting factors. Through the force balance equation of the rotor infinitesimal unit establishment, a theoretical model of stress calculation based on slice method is proposed and established, a formula for the rotor stress at any point derives. A finite element model (FEM) of rotor with holes is established with manufacturing errors. The changes of the stresses and strains of a rotor in parallelism and symmetry errors are analyzed, which verify the validity of the theoretical model. The pre-stressing modal analysis is performed based on the aforementioned static analysis. The key dynamic characteristics are analyzed. The results demonstrated that, as the parallelism and symmetry errors increase, the equivalent stresses and strains of the rotor slowly increase linearly, the highest growth rate does not exceed 4%, the maximum change rate of natural frequency is 0.1%. The rotor vibration mode is not significantly affected. The FEM construction method of the rotor with manufacturing errors can be utilized for the quantitative research on rotor characteristics, which will assist in the active control of rotor component reliability under high acceleration.     

Practical payload assessment of a prototype blade for agricultural unmanned rotorcraft

Unmanned rotorcraft represents a new paradigm in agricultural activities. Rotor-blade design to improve lift performance was necessitated because payload-mounted flights suffer from a lack of lift. A prototype of rotor blade, comprising the V2008B airfoil, was assessed on an agricultural rotorcraft. The lift corresponding to the collective pitch angle (CPA) and rotor speed was measured on field and compared with a base-line blade. Measurements demonstrated that the prototype blade could sustain a maximum payload of 589 N, resulting in a total lift of 1256 N. Thus, an increase of 10.5 % in total lift was accomplished, compared with a base-line of 1137 N. Simulation also indicated that total lift equals 1269 N at CPA = 10°, approximately 1.0 % greater than the experimental lift. However, a practical spray payload would be reduced due to the ground effect and uncertainty, existing during an anchored field experiment. The ground effect from the experimental operation close to the ground would reduce 10 % of the total lift, resulting in 1138 N for hovering. Furthermore, uncertainty existed in stick control inputs and local wind conditions, resulting in fluctuations of rotor speed and payload. The standard deviation of net lift was ±45.33 N; therefore, the minimum net lift of the low envelope assessed from the uncertainty analysis would be 426 N.     

Research on the control systems of a precision linear motor drive device

The model of a precision linear motor drive device (PLMDD) and its control requirements are analyzed. In order to enhance the tracking and anti-disturbance performance of the system, its third-order model is established, and disturbance-observer based input revising feedforward error compensation robust control algorithm, combined with integral-separated proportional integral derivative (PID) control algorithm is proposed. This includes feedback control algorithm and feedforward control algorithm. The feedback controller improves system tracking performance and suppresses load and mechanical disturbance while the feedforward controller compensates phase hysteresis introduced by feedback control. Theoretical analyses, simulations and experiments show that this control method increases the tracking precision of PLMDD from ±5 μm to ±2 μm and dramatically improves its anti-disturbance ability.     

采用三向光纤照明成像的三维微结构观测系统

为弥补普通光学显微镜照明系统的不足,针对一般三维微结构的显微成像,提出并设计了一个可实现实时调节的三向光纤照明成像观测系统.系统采用计算机、D/A卡、驱动电路等硬件以及自主研制的控制软件,实现对任一光源的光强进行稳定连续的实时调节.通过自主设计的机械结构将光源、光纤、耦合头以及显微镜连接为一整体,实现光束入射方向、入射角和入射距离的任意调节.与通常的底部透射光照明系统进行实验比较,成像质量显著提高,不仅可以清晰观察目标对像的表面结构,还能得到立体感强的三维图像.针对面阵CCD显微测量系统的标定和标定误差问题,提出了螺旋微缝标定法.将螺旋测微计两铁钻形成的微缝作为标定的样本,配以适当的观测手段和计算方法,有效地消除或减小了各种误差,提高了系统的标定精度.通过系统标定和测量比较,系统的标定精度达到±0.0015μm,测量精度达到±1μm.实验结果表明,螺旋微缝标定法可以基本满足CCD测量系统标定的要求.     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。     

凸轮升程误差在三坐标测量机上的精确测量

根据凸轮升程误差的设计要求与测量要求,提出了在三坐标测量机上用搜索点法实现的凸轮升程误差的测量方法,介绍了方法的原理、实现步骤,并对测量方法进行了误差分析。理论分析与测量实践表明,本文提出的凸轮升程误差测量方法的测量极限误差为±1.8 μm,比传统的凸轮升程误差测量方法如桃尖点法、敏感点法的测量极限误差小40%左右。     

High accuracy motion control of linear motor drive wire-EDM machines

This paper aims to develop and investigate a permanent magnet linear-motor-driven table system for a wire-EDM machine. A dynamic model and system identification of `the linear motor system have been derived and analyzed. The linear motor drive system has nonlinear and time-varying behaviors because of the effect of irregular friction of the sliding surface and cogging force. Therefore, a conventional digital controller may not suffice to provide a high contouring accuracy as well as adequate disturbance rejection and parameter variation robustness. An indirect adaptive controller (IAC), combined with a neural network-based feedforward controller (NNBFC) is proposed to improve the contouring performance of the linear motor system. Experimental results not only indicate that the proposed control scheme can achieve a high contouring accuracy of ± 0.3 μm, they also demonstrate that the developed linear motor drive wire-EDM machine can meet the requirement for micro machining. The maximum contour error of circular trajectory at a feed-rate of 0.1 mm/min was significantly reduced from 8 μm to 0.5 μm in comparison with proportional-integral-derivative (PID) controller.     

基于扰动观测器的永磁同步电机电流环自适应滑模控制

针对扰动对永磁同步电机转速伺服系统性能的影响,提出了基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法。设计了自适应律在线估计系统的内部参数摄动以补偿模型不确定性扰动。同时,设计了滑模扰动观测器实时估计系统外部负载扰动,并将观测值前馈补偿到电流环自适应滑模控制器,在提高系统鲁棒性的同时降低滑模控制系统的抖振。实验结果显示,采用基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法,系统可快速、准确、无超调地跟踪900r/min的速度指令,调节时间为0.08s,稳态误差为±5r/min。加入0.6N·m的负载扰动,该控制方法的最大转速波动为21r/min,比PI控制方法的转速波动减小了3.4%。仿真和实验结果表明,基于扰动观测器的电流环自适应控制方法提高了永磁同步电机转速伺服系统的鲁棒性和动态响应性能,同时可有效抑制滑模控制系统的抖振。