飞行控制系统设计

飞行控制系统设计
飞行控制系统设计

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一、对最简单的角位移系统的评价

1、某低速飞机本身具有较好的短周期阻尼,采用这种简单的控制规律是可行的。它的传递函数为:

open p3_6

系统根轨迹为:

nem1=-12.5;

den1=[1 12.5];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-1 -3.1];

den2=[1 2.8 3.24 0];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

随着k的增大,该系统的一对闭环复极点的震荡阻尼逐渐减小。但由于飞机本身的阻尼较大,所以当k增大致1.34时,系统的震荡阻尼比仍有0.6。k增大到6.2时系统才开始不稳定。

2、现代高速飞机的短周期运动自然阻尼不足,若仍采用上述单回路控制系统则不能胜任自动控制飞机的要求。

open p3_10

系统根轨迹为:

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3 0];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

随着k增大,系统阻尼迅速下降。当k=1.06时,处于临界稳定。所以无法选择合适的k值以满足系统动静态性能。为了使系统在选取较大的k值基础上仍有良好的动态阻尼,引入俯仰角速度反馈。

二、具有俯仰角速率反馈的角位移自动驾驶仪参数设计open p3_16

1、系统内回路根轨迹为:

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

按物理概念似乎速率陀螺的作用越强,阻尼效果越显著。但根轨迹分析告诉我们,只有在一定范围内这种概念才是正确的,否则会得到相反的效果。这种现象是由舵回路的惯性造成的。舵回路具有不同时间常数时的内回路根轨迹图:

Tδ=0

sys1=-1;

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

Tδ=0.1

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

Tδ=0.25

nem1=-4;

den1=[1 4];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

rlocus(sys)

结论:1)、为了确保角稳定回路的性能,不能单纯地增加速率陀螺信号强度,必须同时设法减小舵回路的惯性,使舵回路具有足够宽的通频带。

2)、一般舵回路时间常数限制在0.03~0.1秒内,接近飞机自然频率的5倍。这就是舵回路频带一般比飞行器的频带宽3至5倍的理由。

2、角稳定回路的设计

系统角稳定回路根轨迹为:

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

sys=feedback(sys,0);

sys3=tf([1],[1 0]);

figure

rlocus(sys)

hold on

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); sys=feedback(sys,0.4); sys3=tf([1],[1 0]); sys=series(sys,sys3); rlocus(sys)

hold on

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); sys=feedback(sys,0.7); sys3=tf([1],[1 0]); sys=series(sys,sys3); rlocus(sys)

hold on

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2);

sys3=tf([1],[1 0]);

sys=series(sys,sys3); rlocus(sys)

hold on

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

sys=feedback(sys,1.56); sys3=tf([1],[1 0]);

sys=series(sys,sys3); rlocus(sys)

系统选不同的与值时的阶跃响应图:nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33];

den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2);

sys=series(sys1,sys2);

sys=feedback(sys,0);

sys3=tf([1],[1 0]);

sys4=tf([1.06]);

sys=series(sys,sys3);

sys=series(sys,sys4);

sys13=feedback(sys,1);

nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); sys=feedback(sys,0.4); sys3=tf([1],[1 0]); sys4=tf([0.14]);

sys=series(sys,sys3); sys=series(sys,sys4); sys14=feedback(sys,1); nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); sys=feedback(sys,0.7); sys3=tf([1],[1 0]); sys4=tf([1.08]);

sys=series(sys,sys3); sys=series(sys,sys4); sys12=feedback(sys,1); nem1=-10;

den1=[1 10];

sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3];

sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); sys=feedback(sys,1.3); sys3=tf([1],[1 0]);

sys4=tf([1.9]);

sys=series(sys,sys3);

sys=series(sys,sys4);

sys11=feedback(sys,1);

step(sys11,sys12,sys13,sys14);

3、自动驾驶仪参数与飞机特性的关系:

用根轨迹法选择参数时,若要求一定的振荡阻尼比,参数与之间有这样的规律:当所选择的较大时,才能得到较大的值,它们之间的比值存在一定的规律:当参数与选得比较合理时,比值ωAP=/总是落在飞机短周期运动自然频率ωd的附近。

三、

Control Design Using Simulink?

This demonstration illustrates how to use the Control System Toolbox?and Simulink? Control Design? to interact with Simulink to design a digital pitch control for the U.S. Navy's F-14 Tomcat aircraft. In this example, we will design the controller to permit the aircraft to operate at a high angle of attack with minimal pilot workload.

Our example takes you through the first pass at designing a digital autopilot for a high angle of attack controller. To run everything in this demo you must have the Control System Toolbox, Simulink Control Design, Simulink, and Real-Time Workshop?. If you don't have all of these products, you can still run portions of the demo using cell execution mode of the MATLAB? editor.

Below is a Simulink model of the F-14. The control systems in the Controllers block can be switched in the model to allow you to see the analog response and then to switch to a design created using the Control System Toolbox's Linear Time Invariant (LTI) objects. A controller is also included that is a discrete implementation of the analog design that is similar to the algorithm that would go into an

on-board flight computer. Take a few moments to explore the model.

Open the f14_digital model

f14dat_digital;

f14_digital

sim('f14_digital');

Figure 1: Simulink model of the F-14 flight control system.

Trim and Linearization

The model can be linearized in the Control and Estimation Tools Manager launched from f14autopilot Simulink model. In the Tools menu, select Control Design > Linear Analysis.

When the Control and Estimation Tools Manager opens, select an operating point and click the Linearize Model button. An LTI Viewer can be created showing a step plot of the linearization. To browse around the LTI Viewer, right click on the graph window to see your options.

For help type help slcontrol or help ltiview or look at the Control System Toolbox and Simulink Control Design product documentation.

Open the f14autopilot model

apmdl = 'f14autopilot';

open_system(apmdl)

op = operpoint(apmdl);

io = getlinio(apmdl);

contap = linearize(apmdl,op,io)

a =

Alpha-sensor Pitch Rate L Proportional Stick Prefil Alpha-sensor -2.526 0 0 0 Pitch Rate L 0 -4.144 0 0 Proportional -1.71 0.9567 0 10 Stick Prefil 0 0 0 -10

b =

Stick (pt. 1 Alpha Sensed q Sensed (pt

Alpha-sensor 0 1 0

Pitch Rate L 0 0 1

Proportional 0 0 -0.8156

Stick Prefil 1 0 0

c =

Alpha-sensor Pitch Rate L Proportional Stick Prefil Sum (pt. 1) 2.986 -1.67 -3.864 -17.46

d =

Stick (pt. 1 Alpha Sensed q Sensed (pt

Sum (pt. 1) 0 0 1.424

Continuous-time model.

Figure 2: Original analog autopilot.

Linear Time-Invariant (LTI) Systems

There are three types of LTI objects you can use to develop a linear model:

State Space (SS), Transfer Function (TF), and Zero-Pole-Gain (ZPG) objects.

The variable contap is a State Space object. You can then get one of the other types with the other commands. When you create the object in MATLAB, you can manipulate it using operations such as *, +, -, etc. This is called "overloading" the MATLAB operators. Try creating an object of your own and see what happens when adding, multiplying, etc. with the contap object.

To see exactly what is stored in the LTI object, type get(contap) or contap.InputName for example.

contap = tf(contap);

contap = zpk(contap)

Zero/pole/gain from input "Stick (pt. 1)" to output "Sum (pt. 1)":

-17.46 (s+2.213)

s (s+10)

Zero/pole/gain from input "Alpha Sensed (pt. 1)" to output "Sum (pt.

1)":

2.9857 (s+2.213)

s (s+2.526)

Zero/pole/gain from input "q Sensed (pt. 1)" to output "Sum (pt. 1)": 1.424 (s+2.971) (s+2.213)

s (s+4.144)

Discretized Controller Using Zero-Order Hold

Now the LTI object will be used to design the digital autopilot that will replace the analog autopilot. The analog system is coded into the LTI object called contap (CONtinuous AutoPilot).

The first attempt at creating a digital autopilot will use a zero-order hold with a sample time of 0.1 seconds. Note that the discrete object maintains the type (ss, tf, or zpk).

It is clear from Bode plot below that the systems do not match in phase from 3 rad/sec to the half sample frequency (the vertical black line) for the pilot stick input and the angle of attack sensor. This design has poorer response than the analog system. Go to the Simulink model and start the simulation (make sure you can see the scope windows). While the simulation is running, double-click the manual switch labeled Analog or Digital.

Does the simulation verify the conclusion reached by interpreting the Bode diagram?

discap = c2d(contap, 0.1, 'zoh');

get(discap)

bode(contap,discap)

z: {1x3 cell}

p: {1x3 cell}

k: [-1.25 0.294 1.42]

ioDelay: [0 0 0]

DisplayFormat: 'roots'

Variable: 'z'

Ts: 0.1

InputDelay: [3x1 double]

OutputDelay: 0

InputName: {3x1 cell}

OutputName: {'Sum (pt. 1)'}

InputGroup: [1x1 struct]

OutputGroup: [1x1 struct]

Name: ''

Notes: {}

UserData: []

Figure 3: Bode diagram comparing analog and ZOH controllers.

Tustin (Bilinear) Discretization

Now try different conversion techniques. You can use the Tustin transformation. In the command window type the commands above.

It should be clear that the systems still do not match in phase from 3 rad/sec to the half sample frequency, the Tustin transformation does better. The simulation uses the LTI object as it is designed. To see how the object is used look in the Controllers subsystem by using the browser or by double clicking the icon. The LTI block picks up an LTI

object from the workspace. You can change the object name used in the block to any LTI object in the workspace. Try using "discap1", the Tustin discretization of the analog design:

discap1 = c2d(contap,0.1,'tustin');

bode(contap,discap,discap1)

Figure 4: Bode diagram comparing analog and 0.1 sec Tustin controllers. Selecting a Sample Time

The Tustin transform performs better than the zero-order hold from the analysis so far. The sample time of 0.1 second appears to be too slow

for the discrete system to track the performance of the analog system

at half the sample frequency.

Now transform the analog design using the Tustin transform with a 0.05 second sample period.

discap = c2d(contap,0.05,'tustin')

bode(contap,discap)

Zero/pole/gain from input "Stick (pt. 1)" to output "Sum (pt. 1)":

-0.36852 (z-0.8951) (z+1)

(z-1) (z-0.6)

Zero/pole/gain from input "Alpha Sensed (pt. 1)" to output "Sum (pt. 1)":

0.074094 (z-0.8951) (z+1)

(z-1) (z-0.8812)

Zero/pole/gain from input "q Sensed (pt. 1)" to output "Sum (pt. 1)":

1.4629 (z-0.8617) (z-0.8951)

(z-1) (z-0.8123)

Sampling time: 0.05

Figure 5: Bode diagram comparing analog and 0.05 sec Tustin controllers.

Real-World Considerations

Now that we have what appears to be a workable design, we need to implement it in a form that will include some of the necessary elements that were ignored in the linear analysis. For example, if you look at

the analog autopilot that is in the Controllers subsystem, you will see some logic that stops the integrator from winding up when the actuator saturates:

Open the AnalogControl subsystem

open_system('f14_digital/Controllers/AnalogControl');

Figure 6: AnalogControl subsystem.

Implementation of the Full Design

The integrator wind-up is only one of the practical issues that needs to be addressed. Another is the need to eliminate aliased high frequency signals that could enter at measurement points. These aliased signals can be prevented by specifying analog filters in front of the sample and hold (ZOH) blocks that model the analog-to-digital converter (ADC) devices typically used for measuring signals in an embedded application. Additionally, the filters in the digital section of the autopilot operate at a higher sampling rate than the compensator to provide a conditioned signal to the compensator. The analog filters are necessary because once a signal is aliased, there is no way to separate the valid in-band frequency content from aliased content.

This new controller is called Digital Control. The filters have a sample time of deltat1 (set to be 1/10 of deltat). The zero-order hold blocks specify these sample times for various downstream blocks through sample time inheritance.

The switches in the f14_digital model are set up so you can switch between the analog autopilot, the digital LTI object, and the digital autopilot that could be implemented using software.

Try simulating the system again and switch among the three autopliot designs. You should see that the designs are not significantly affected by which autopilot is active. You can also increase the amplitude of

the wind gust and verify that the anti-aliasing filters are working satisfactorily. To increase the gust amplitude, open the Dryden Wind Gust subsystem and change (by double clicking the icon) the noise variance of the White Noise that drives the gust simulation.

Open the DigitalControl subsystem:

open_system('f14_digital/Controllers/DigitalControl');

Figure 7: DigitalControl subsystem.

Configurable Subsystems for Design Variants

The actuators in the Simulink model use a feature of Simulink called Configurable Subsystems to access a library of actuators. This library was opened by the command shown in the window above.

To make the simulation change, use the nonlinear actuator instead of

the linear one, double click the actuator block in the f14_digtal model, and follow the instructions.

Note that Simulink must be stopped in order to reconfigure the actuator selection. You should also note that the nonlinear actuator has saturations on position and rate.

Open the f14actuator model:

f14actuator

Figure 8: The f14actuator model.

Code Generation

The autopilot design can be transformed into embeddable code using

Real-Time Workshop. A separate model of the digital autopilot, f14_dap, is open below; it was coded into a host-based standalone program using Real-Time Workshop and the compiler specified using the mex -setup configuration. The simulation results can be used as a validation baseline for the functional correctness of the generated code.

The executable file resulting from code generation and compilation is

f14_dap.exe. If you create it, it can be run from the OS shell (DOS) command line directly or from MATLAB by typing:

>> !f14_dap.exe

The executable program creates a file called f14_dap.mat that you can load by typing load f14_dap.

Two variables called rt_tout and rt_yout will be in the workspace and their variance against the simulation baseline can be plotted. Note

that the variance is effectively zero for this model on this host. Some small numeric variance is to be expected in more complex calculations due to differing compiler optimizations and use of intermediate

register variables having higher precision than the 64-bit storage format of a double. Significant variances should be examined as they

could indicate a numerical stability problem in your model's algorithms, a compiler or run-time library bug, or other problems.

Open the f14_dap model:

f14_dap

load f14_dap

sim('f14_dap')

f1 = figure;

subplot(211); plot(tout,yout,'r-',rt_tout,rt_yout,'b-'); grid

title('Comparison of simulation and code generation results')

yvar = rt_yout - yout;

subplot(212); plot(tout,yvar); grid

title('Variance of code generation results vs. simulation baseline')

Figure 9: Comparison of simulation and code generation results. Behavior of the First Pass Design

Here is the time response of the high angle of attack mode digital pitch controller design:

close(f1)

f2 = figure;

plot(tout,yout); grid

飞行控制系统设计

(此文档为word格式,下载后您可任意编辑修改!) 一、对最简单的角位移系统的评价 1、某低速飞机本身具有较好的短周期阻尼,采用这种简单的控制规律是可行的。它的传递函数为: open p3_6 系统根轨迹为: nem1=-12.5; den1=[1 12.5]; sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-1 -3.1]; den2=[1 2.8 3.24 0]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 随着k的增大,该系统的一对闭环复极点的震荡阻尼逐渐减小。但由于飞机本身的阻尼较大,所以当k增大致1.34时,系统的震荡阻尼比仍有0.6。k增大到6.2时系统才开始不稳定。 2、现代高速飞机的短周期运动自然阻尼不足,若仍采用上述单回路控制系统则不能胜任自动控制飞机的要求。 open p3_10 系统根轨迹为: nem1=-10; den1=[1 10]; sys1=tf(nem1,den1);

nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3 0]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 随着k增大,系统阻尼迅速下降。当k=1.06时,处于临界稳定。所以无法选择合适的k值以满足系统动静态性能。为了使系统在选取较大的k值基础上仍有良好的动态阻尼,引入俯仰角速度反馈。 二、具有俯仰角速率反馈的角位移自动驾驶仪参数设计open p3_16 1、系统内回路根轨迹为: nem1=-10; den1=[1 10]; sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 按物理概念似乎速率陀螺的作用越强,阻尼效果越显著。但根轨迹分析告诉我们,只有在一定范围内这种概念才是正确的,否则会得到相反的效果。这种现象是由舵回路的惯性造成的。舵回路具有不同时间常数时的内回路根轨迹图: Tδ=0 sys1=-1; nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) Tδ=0.1

飞行器控制系统设计

课程设计任务书 学生姓名: 李攀 专业班级: 自动化0804 指导教师: 谭思云 工作单位: 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件: 飞行器控制系统的开环传递函数为: ) 2.361(4000)(+= s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 008.0≤,单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤,相角裕度大于85度。 要求完成的主要任务: (包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求) (1) 设计一个控制器,使系统满足上述性能指标; (2) 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图; (3) 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统的动态性能指标; (4) 对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚分析计算的过程,给出响应曲线,并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型,说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排: (1) 课程设计任务书的布置,讲解 (一天) (2) 根据任务书的要求进行设计构思。(一天) (3) 熟悉MATLAB 中的相关工具(一天) (4) 系统设计与仿真分析。(四天) (5) 撰写说明书。 (两天) (6) 课程设计答辩(一天) 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日

摘要 根据被控对象及给定的技术指标要求,设计自动控制系统,既要保证所设计的系统有良好的性能,满足给定技术指标的要求,还有考虑方案的可靠性和经济性。本说明书介绍了在给定的技术指标下,对飞行器控制系统的设计。为了达到给定要求,主要采用了串联之后—超前校正。 在对系统进行校正的时候,采用了基于波特图的串联之后—超前校正,对系统校正前后的性能作了分析和比较,并用MATLAB进行了绘图和仿真。对已校正系统的高频特性有要求时,采用频域法校正较其他方法更为方便。 关键词:飞行器控制系统校正 MATLAB

飞行控制系统

飞行控制系统 为了使无人机飞行控制系统具有强大的数据处理能力、较低的功耗、较强的灵活性和更高的集成度,提出了一种以SmartFusion为核心的无人机飞行控制系统解决方案。为满足飞控系统实时性和稳定性的要求,系统采用了μC/OS-Ⅱ实时操作系统。与传统的无人机飞行控制系统相比,在具有很强的数据处理能力的同时拥有较小的体积和较低的功耗。多次飞行证明,各个模块设计合理,整个系统运行稳定,可以用作下一代无人机高性能应用平台。 关键词:无人机;飞行控制系统;SmartFusion芯片;μC/OS-Ⅱ 0 引言 飞行控制系统是无人机的重要组成部分,是飞行控制算法的运行平台,它的性能好坏直接关系着无人机能否安全可靠的飞行。随着航空技术的发展,无人机飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。高精度要求无人机控制系统的精度高,稳定性好,能够适应复杂的外界环境,因此控制算法比较复杂,计算速度快,精度高;小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求,要求控制系统的性能越高越好,体积越小越好。此外,无人机飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。基于以上考虑,本文从实际工程应用出发,设计了一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统。 1 飞控系统总体设计

飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个:一是飞行控制,即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定,以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹,保证飞机的稳定飞行,这就是通常所谓的自动驾驶;二是飞行管理,即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。 飞行控制系统主要完成3个功能任务,其层次构成为三层:最底层的任务是提高无人机运动和突风减缓的固有阻尼——三个轴方向的阻尼器功能;第2层的任务是稳定无人机的姿态角——基本驾驶仪的功能(主要进行角运动控制);第3层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度,实现较高级自动驾驶功能。飞行控制系统原理框图见图1。 由上述分析易知,飞行控制系统主要由飞行控制器、传感器(或敏感元件)、舵机3部分组成。无人机飞行控制系统的基本架构如图2所示。

飞行控制系统简介

自动飞行控制系统 飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性,提高飞机飞行性能和完成任务的能力,增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。 深圳市瑞伯达科技有限公司,致力于成为全球无人机飞行器领导品牌,是智能化无人机飞行器及控制系统的研制开发的专业厂商,生产并提供各行业无人机应用的解决方案。产品线涵盖各种尺寸多旋翼飞行器、专业航拍飞行器、无人机飞行控制系统、无人机地面站控制系统、高清远距离数字图像传输系统、专业级无线遥控器、高精飞行器控制模块及各类飞行器配件 飞行器的自动飞行一、问题的提出早在重于空气的飞行器问世时,就有了实现自动控制飞行的设想。1891年海诺姆.马克西姆设计和建造的飞行器上安装了用于改善飞行器纵向稳定性的飞行系统。该系统中用陀螺提供反馈信号,用伺服作动器偏转升降舵。这个设想在基本概念和手段上与现代飞行自动控制系统有惊人的相似,但由于飞机在试飞中失事而未能成为现实。 60年代飞机设计的新思想产生了,即在设计飞机的开始就考虑自动控制系统的作用。基于这种设计思想的飞机称为随控布局飞行器(Control Configured Vehicle 简称CCV)。这种飞机有更多的控制面,这些控制面协同偏转可完成一般飞机难以实现的飞行任务,达到较高的飞行性能。 飞控系统分类飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统,称为人工飞行控制系统。最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统,称为自动飞行控制系统。自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。飞控系统构成飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备,包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息,用于控制、导引和模态转换。飞控计算机是飞控系统的“大脑”,用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。作动器是飞控系统的执行机构,用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等,以产生控制飞机运动的力和力矩。自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测,以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。信息传输链用于系统各部件之间传输信息。常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接,不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。 自动飞行控制系统由自动驾驶仪、自动油门杆系统、自动导航系统、自动进场系统和自动着陆系统、自动地形跟随/回避系统构成。 RIBOLD瑞伯达科技有限公司,致力于成为全球飞行影像系统独家先驱,其产品线涵盖无人机飞行控制系统及地面站控制系统、影视航拍飞行平台、商用云台系统、高清远距离数字图像传输系统、无线遥控和成像终端及模型飞行器产品,多旋翼飞行器和高精控制模块。 RBD瑞伯达坚持创新, 以技术和产品为核心,通过完美的产品带来前所未有的飞行体验。我们的目标是做世界一流的无人机企业,为我们的客户提供一流的产品和服务!

仿生扑翼飞行器设计与制作

仿生扑翼飞行器设计与制作 摘要:随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步,人类能更好的模仿生物的运动,向大自然学习,服务人类。像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想,近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展,目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器,但其仿生程度任然较低。通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作,并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构,最后做出了实物,进行了飞行试验。 关键词:仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验 Designing and producting of the flapping wing flight vehicle in bionics ABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it. KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test

超小型仿生扑翼飞行器扑翼结构有限元分析

目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 0 引言 (4) 1 国内外仿生扑翼飞行器研究的发展综述 (6) 1.1 国外研究的现状 (6) 1.2 国内研究的现状 (10) 1.3 课题研究的主要内容 (11) 2 超小型仿生扑翼飞行器扑翼有限元模型的建立 (11) 2.1 有限元分析的概述 (11) 2.1.1 有限元分析的原理 (11) 2.1.2弹性力学基础 (14) 2.2 ANSYS软件的介绍 (21) 2.2.1 前处理模块PREP7 (22) 2.2.2 求解模块SOLUTION (23) 2.2.3 后处理模块POST1和POST26 (24) 2.3 扑翼有限元模型的建立 (24) 2.3.1 超小型仿生扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 (25) 2.3.2 单元类型的选择 (28) 2.3.3 单元特性的定义 (30) 2.3.4 有限元网格划分 (31)

2.4 本章小结 (32) 3 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的静态力学特性讨论 (33) 3.1 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构线性静力学分析 (33) 3.2 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 (37) 3.3 初探材料特性对仿生扑翼刚度等性能的影响 (40) 3.4 本章小结 (45) 4 结论 (45) 参考文献 (47) 译文 (50) 原文说明 (60)

摘要 超小型仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器,在应用技术上超出了传统的飞机设计和气动力的研究范畴,同时开创了微机电系统技术(MEMS)在航空领域的应用。设计和制造具有良好动力学特性的高效仿生扑翼,是超小型仿生扑翼飞行器研究中的一个关键环节,同时也是目前非常富有挑战性的研究难题。 本文利用有限元的基础理论,对仿照蜻蜓翅翼,设计的仿生扑翼进行结构静力学等内容的分析,研究了超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构特性等。文中的建模、分析方法及所得结论,为超小型仿生扑翼飞行器扑翼的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。 本文基于蜻蜓真实的翅翼样本,利用ANSYS10.0软件,分别建立了仿生扑翼1和仿生扑翼2的几何结构模型,并通过选择适当的单元类型及设定特性参数,完成三维仿生扑翼1和仿生扑翼2的有限元模型。在此基础上,对超小型仿生扑翼飞行器扑翼进行静态特性分析,分别对仿生扑翼1和仿生扑翼2进行线性和非线性力学分析,比较两种情况下结构的变形及应力等静态性能,并初步探讨了改变材料特性对仿生扑翼刚度变形的影响,总结出仿生扑翼的几何外形和结构布局以及材料都会对扑翼的刚性产生一定的影响。 关键词:超小型飞行器,仿生扑翼,有限元分析

飞行器控制系统课程设计

课程设计任务书 学生姓名:________ 专业班级: _______________ 指导教师:_______ 工作单位: ____________ 题目:飞行器控制系统设计 初始条件: 飞行器控制系统的开环传递函数为: G(s) -^500^ s(s 361.2) 控制系统性能指标为调节时间0.01s,单位斜坡输入的稳态误差 0.000521,相角裕度大于84度。 要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求) (1)设计一个控制器,使系统满足上述性能指标; (2)画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图; (3)用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统的动态性能指标; (4)对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚分析 计算的过程,给出响应曲线,并包含Matlab源程序或Simulink仿 真模型,说明书的格式按照教务处标准书写 时间安排:

指导教师签名: 系主任(或责任教师)签名: 目录 1串联滞后—超前校正的原理............ 错误! 未定义书签。 2 飞行器控制系统的设计过程. ................. 错误! 未定义书签。 2.1 飞行器控制系统的性能指标............... 错误! 未定义书签。 2.2 系统校正前的稳定情况................. 错误! 未定义书签。 2.2.1 校正前系统的波特图............. 错误! 未定义书签。 2.2.2 校正前系统的奈奎斯特曲线 (2) 2.2.3 校正前系统的单位阶跃响应曲线......... 错误! 未定义书签。 2.3 飞行器控制系统的串联滞后—超前校正 (4) 2.3.1 确定校正网络的相关参数 (4) 2.3.2 验证已校正系统的性能指标 (6) 2.4 系统校正前后的性能比较 (8) 2.4.1 校正前后的波特图 (8) 2.4.2 校正前后的奈奎斯特曲线 (9) 2.4.3 校正前后的单位阶跃响应曲线 (11) 3 设计总结与心得体会 (12) 参考文献 (13)

扑翼式飞行器的发展与展望

扑翼式飞行器的发展与展望 从古至今,人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象,人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注,早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展,以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景,扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。 1扑翼式飞行器的发展史 1.1 扑翼式飞行器的早期发展 历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法,《墨子?鲁问》中记载,鲁班制造的木鸟可以飞行三天;古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来,但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。 15世纪70年代,著名发明家莱昂纳多?达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器,并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙,具有多个翅膀。达芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试,有的可以上下蹦跳几下,有的摔成碎片,结果都失败了。 1874年,法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作,以当时的技术水平,这种高难度的动作是无法实现的,与此同时热气球的出现,就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落,研究开始转向了其他领域。 1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状 随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展,加之军事和民用的广泛应用前景,扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年,DAPRA投入3500万美元,开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV,翼展一般在15cm左右,多采用电池提供能源,飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV 总重约为43mg,直径为5mm~10mm,采用太阳能电池和压电驱动。 西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动,可实现扑翼15Hz~20Hz左右的频率上下拍动,翼展超过15cm。 2扑翼式飞行器的优势及可行性 按照飞行原理的不同划分,MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比,扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。 通过分析昆虫各个部分的结构,选用合理的驱动装置,并由电池或其他化学物质提供能源,仿照昆虫结构,同时辅以MEMS设备和装配技术,便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。 3关键技术 3.1 空气动力学问题 微型飞行器不同于普通飞机,它的雷诺数大约在104左右,空气的粘性阻力相对比较大,并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础,但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构,而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统

飞行器控制系统设计

学号: 课程设计 题目飞行器控制系统设计 学院自动化学院 专业自动化 班级自动化1002班 姓名 指导教师肖纯 2012 年12 月19 日

课程设计任务书 学生姓名: 专业班级:自动化1003班 指导教师: 肖 纯 工作单位: 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件:飞行器控制系统的开环传递函数为: ) 2.361(4500)(+= s s K s G 要求设计控制系统性能指标为调节时间ts 008.0≤秒,单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤,相角裕度大于75度。 要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写 等具体要求) (1) 设计一个控制器,使系统满足上述性能指标; (2) 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图; (3) 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线,并根据曲线分析系统 的动态性能指标; (4) 对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚分析 计算的过程,给出响应曲线,并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型,说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排: 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日

随着经济的发展,自动控制技术在国民经济中发挥着越来越重要的作用。自动控制就是在没有人的参与下,系统的控制器自动的按照人预订的要求控制设备或过程,使之具有一定的状态和性能。在实际中常常要求在达到制定性能指标的同时能更加节约成本、能具有更加优良的效果。本次飞行器设计中,采用频域校正的方法使系统达到指定的性能指标,同时采用matlab仿真软件更加直观的进行仿真分析和验证。 在此设计中主要采用超前校正的方法来对系统进行性能的改进,通过分析、设计、仿真、写实验报告书的过程,进一步加深了对自动控制原理基本知识的理解和认识,同时通过仿真系统的奈奎斯特图、bode图、单位阶跃响应曲线,进一步理解了系统的性能指标的含义,同时也加深了对matlab仿真的掌握,培养了认识问题、分析问题、解决问题的能力。

自动飞行控制系统电子讲稿第一部分

学习情景1 课程导论 1.飞行控制系统发展概述 自动飞行控制系统已有100多年的研制历史,早在有人驾驶飞机出现之前,自动飞行装置即已出现。 1.1方向稳定器 1873年,法国雷纳德(C.C.Renard)无人多翼滑翔机的方向稳定器。 1.2 电动陀螺稳定装置-姿态稳定 1914年,美国的爱莫尔·斯派雷(Eimer Sperry)研制成功第一台可以保持飞机稳定平飞的电动陀螺稳定装置,该装置利用陀螺的稳定性和进动性,建立一个测量基准,用来测量飞机的姿态,它和飞机的控制装置连在一起,一旦飞机偏离指定的状态,这个机构就通过飞机的控制装置操纵飞机的舵面偏转使飞机恢复到原来的状态。 1.3 自动驾驶仪 20世纪30年代出现了可以控制和保持飞机高度、速度和航迹的自动驾驶仪。 第二次世界大战促使自动驾驶仪等设备得到进一步发展,由过去气动-液压到全电动,由三个陀螺分别控制三个通道改用一个 或两个陀螺来操纵飞机,并可作机动、爬高及自动保持高度等。 二次大战期间,美国和原苏联相继研制出功能较完善的电气式自动驾驶仪C-1和其仿制品A∏-5; 德国在二战后期研制成功飞航式导弹V-1和弹道式导弹V-2,

更进一步促进了飞行自动控制装置的研制和发展。 20世纪50年代后,和导航系统、仪表着陆系统相联,自动驾驶装置实现了长距离自动飞行和自动着陆。 1.4 自动飞行控制系统 1947年成功突破音障后,飞机的飞行包线(飞行速度和高度的变化范围)扩大,越来越复杂的飞行任务对飞机性能的要求也越来越高,仅靠气动布局和发动机设计所获得的飞机性能已经很难满足复杂飞行任务的要求。因此,借助于自动控制技术来改善飞机稳定性的飞行自动控制装置(如增稳系统)相继问世,在此基础上,自动驾驶仪的功能得到进一步的扩展,发展成为自动飞行控制系统(AFCS)。 20世纪60年代,产生了随控布局飞行器(congtrol configured vehicle--CCV)的设计思想。 20世纪60年代前的以模拟电路或模拟计算机为主要计算装置的飞行控制系统,逐渐发展成为现在已普遍应用的数字式飞行控制系统,这也为新技术应用和更复杂更完善系统的综合提供了实现的可能性。例如: 主动控制技术(active control technology—ACT); 余度技术 容错控制技术 20世纪80年代得到迅速发展的火/推/飞综合控制系统等。 20世纪70年代中期,由于计算机的应用使自动驾驶仪和飞机的指引系统组成一个综合系统,使飞机的各种传感器数据、指

QFT飞行控制系统设计

QFT 飞行控制系统设计 4.1 引言 在飞控系统中,被控对象(如直升机等)往往是非常复杂的多输入多输出系统,具体表现为非线性、时变、高度耦合、高阶、不稳定、模型不确定性等。因此,这对设计一个覆盖整个飞行包线的控制器带来相当大的难度。目前,国内外设计全包线控制器一般有以下几种方法: 增益调度(gain scheduling )、非线性动态逆(Non-Linear Dynamic Inversion )、定量反馈理论(QFT )、自适应控制(AC )等。其中,国内外大多数采用增益调度方法。 本章将介绍一种工程上较为容易实现的强鲁棒控制理论—定量反馈理论(QFT )。重点介绍了MIMO 系统设计QFT 控制器的原理和一般步骤。 4.2 MIMO 系统的QFT 控制器设计概述 定量反馈理论(QFT )是以色列人Horowitz 教授提出的一种强鲁棒控制理论,它针对当对象具有不确定性和存在干扰的情况下,如何利用反馈信息设计出满足一定要求的控制系统这一问题而提出的。QFT 的最初发展首先研究具有不确定性的线性时不变单输入单输出系统(LTI/SISO ),如图4.1所示。其中,P 为不确定控制对象,r 为指令输入,y 为系统输出,1d 和2d 分别表示输入干扰和输出干扰,G 和F 为要设计的控制器和前置滤波器。随着QFT 的理论研究的深入,进一步推广到多输入多输出、非最小相位/不稳定、时变及非线性等系统。LTI/SISO 系统是QFT 研究的基础,而其他的MIMO 系统等都可以通过数学变化转化为等效的LTI/SISO 系统,再进行设计。 y 图4.1 SISO 系统的QFT 控制框图 MIMO 系统QFT 研究的重点就是如何有效地将原控制系统转化成一组等效的MISO 系统,从而可以运用相对成熟的SISO 系统QFT 设计分析,这也是MIMO 系统QFT 设计相比较与SISO 系统设计的最大特点。图4.2给出了两输入两输出系统的等效过程。可以看出原系统是22?系统,等效后变成了4个结构类似的21?子系统。每个系统都有两个输入端,一个输出端。两个输入分别是指令输入和由各子系统之间耦合作用引起的输入,即“干扰”输入。 然后,就可以对每个子系统采用SISO 系统的QFT 设计方法设计对应的控制器。最后,将各子系统的设计结果综合起来就是原系统的设计结果。

基于仿生学的扑翼机设计与仿真

基于仿生学的扑翼机设计与仿真 苏扬、邵冠豪、史佳针、李根、李凯兴 (中国民航大学航空工程学院,天津,300300) 摘要:仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类扑翼飞行的新型飞行器。由于具有重量轻、体积小、隐身性、可操作性好和成本低等特点,在国防和民用领域均有十分广泛的应用前景。本文主要介绍了基于仿生学研制的某小型扑翼无人飞行器,并对其设计思想和制作工艺进行详细阐述与说明。 关键词: 仿生学扑翼机无人侦察制作工艺 0 前言 论文详细介绍了一款基于仿生学研制的小型扑翼无人飞行器。该扑翼飞行器可以作为无人侦察机使用,整机重20g,采用四翅扑翼机构,翼展为280mm,整机全长仅190mm。该机采用轻木为材料来制作机身,KT板来制作尾翼。不但价格低廉,加工方便,而且还能很大程度上保持较轻的重量和足够的强度。扑翼传动机构采用3D打印技术进行制作,材料为PLA塑料。整机外形尺寸是以家燕为仿生对象来进行设计的,整机的外形尺寸参数如表1所示。 表 1 扑翼无人飞行器试验机结构参数(单位mm) 名称机身长度机身宽度机身最高处翼展机翼弦长机翼厚度垂尾高度 参数190 40 35 280 85 0.015 55 1 扑翼飞行器的设计与建模 扑翼机构采用四翅机构是由于四翅机构可以利用Wei-Fogh效应而产生较高的升力[2],这会对之后添加工作负载产生很大的帮助。机身结构外形尺寸参数是根据尺度效应[3]来确定的,在最大限度地减重和模仿家燕的同时,还留有一定的可调裕度以适应不同重量的负载。尾翼结构采用应用较为成熟的常规式尾翼。控制方面采用电磁舵机+微型接收机来作为控制舵面的方式。整机三维建模如图1所示。

课程设计---飞行器控制系统设计

目录 1飞行器控制系统的设计过程 (1) 1.1飞行器控制系统的性能指标 (1) 1.2参数分析 (1) 2系统校正前的稳定情况 (3) 2.1校正前系统的伯特图 (3) 2.2校正前系统的奈奎斯特曲线 (3) 2.3校正前系统的单位阶跃响应曲线 (5) 2.4校正前系统的相关参数 (5) 2.4.1 上升时间 (6) 2.4.2超调时间 (7) 2.4.3超调量 (7) 2.4.4 调节时间 (7) 3校正系统 (8) 3.1校正系统的选择及其分析 (8) 3.2验证已校正系统的性能指标 (10) 4系统校正前后的性能比较 (13) 4.1校正前后的波特图 (13) 4.2校正前后的奈奎斯特曲线 (14) 4.3校正前后的单位阶跃响应曲线 (15) 5设计总结与心得 (17) 参考文献 (18)

飞行器控制系统设计 1飞行器控制系统的设计过程 1.1飞行器控制系统的性能指标 飞行器控制系统的开环传递函数 ) 2.361(4500)(+= s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 01.0≤,单位斜坡输入的稳态误差000521.0≤,相角裕度大于85度。 1.2参数分析 由系统开环传递函数可以求得: 令 2n ω= 4500k 所以开环传递函数: 2 ()(361.2) n G s s s ω= + 稳态误差为: ss 2 n n 1361.2e 0.000521lim ()s SG s ζ ωω→= =≤2= 可得832/n rad s ω=,0.217ζ=。 所以,取154k =。 开环传递函数 693000 ()(361.2) G s s s = + 稳态误差 0.005e δ=>

西工大飞行控制系统总复习

总复习 第一章 飞行动力学 一、概念: 1、体轴系纵轴ox 在飞机对称平面内;速度轴系纵轴a ox 不一定在飞机对称平面内;稳定轴系纵轴ox 在飞机对称平面内,与体轴系纵轴ox 相差一个配平迎角0α。 2、俯仰角θ的测量轴为地轴系横轴g oy ;滚转角φ(倾斜角)的测量轴为体轴系纵轴ox ;偏航角ψ的测量轴为地轴系铅锤轴g oz 。 3、迎角α:空速向量在飞机对称平面内投影与机体纵轴ox 夹角。 以的投影在ox 轴之下为正。 4、β(侧滑角):空速向量v 与飞机对称平面的夹角。以v 处于对称面右为正。 5、坐标系间的关系 机体轴系b S 与地轴系g S 之间的关系描述为飞机姿态角(ψφθ、、); 速度轴系a S 与机体轴系b S 之间的关系描述为气流角(βα、); 速度轴系a S 与地轴系g S 之间的关系描述为航迹角(χμγ、、)。 6、舵偏角符号 升降舵偏角e δ:平尾后缘下偏为正0>e δ,产生低头力矩。0a δ,产生左滚转力矩 0r δ,产生左偏航力矩0

1 飞行控制系统的硬件设计

1 飞行控制系统的硬件设计 本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块, 1.2 传感器 1.2.1 陀螺仪 陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示,是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪,具有16位的模拟、数字转换器,使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。 1.2.2 加速度传感器 在多旋翼的飞行控制系统当中,加速传感器应该说是一个非常重要的元器件。这不仅是由于加速度传感器具有动态载体的特性校正功能,并且它能够针对加速度实施积分,继而得出载体速度以及位置之类的基本信息。我们所选取的ADI公司研发的ADXL345传感器,同时兼具SPI以及I2C的数字输出功能,其分辨率较高,同时体积也比较小。 1.2.3 GPS模块 当无人机在天空飞行的时候定位系统是十分重要的,需要对无人机所呈现的姿态加以实时的测量,可以说在无人机系统当中,GPS模块占据着一定的主导地位。我们选取了U-BLOX公司所研发和生产的CJMCU-6M当作GPS的接收机,该传感器具有接口较为方便,而且定位的速度也比较快,不用长时间等待的特征。其利用串口输出的形式RS-232数据传输,继而结合协议而解算无人机所处的坐标、高度和时间之类的信息。 1.3 电源 电源模块主要的功能是为飞控系统当中的其他模块供给电量,从而确保飞行顺利。电源模块当中主要包含一个电源接口,以及一个稳压器,稳压器所具备的功能是对电压加以转换,避免因为高电压而导致电路板和一些其他元器件的损坏。本文中选择系统稳压器的标准为5V 输入,主控板的供电输出是3.3V,而最大的输出电流是500mA。 1.4 执行机构驱动 多旋翼无人机的飞行系统想要达成自主悬停功能,这就需要飞行器必须要在飞行不稳的情况之下能够迅速地改变成为平稳的状态,也就是在这种情况之下,执行机构要在非常短的时间之内做出相应的反应,让无人机所呈现的速度能够高速地提升或降低。本文所设计的系统当中采用直流无刷电机当作执行机构,继而配合无刷电调来应用,这个电机具备周期较长,而且效率较高等特征。电机是一种十分关键的执行机构,是对飞行器的姿态加以控制的动力。而我们所选择的直流无刷电机是想让四旋翼形式的飞行器形成多种飞行的姿态,工作的主要原理为对空气动力学的利用,从而使旋翼形成多种转速,继而达到想要的效果,完成各种飞行姿态。直流无刷的电机所接收到的控制信号是PWM波所发出的。而结合DSP所发出的具

扑翼机飞行器传动机构动力学分析

扑翼机飞行器传动机构动力学分析 摘要 自古以来在天空中翱翔都是人们梦寐以求的,经历了几千年的研究,目前应用较为广泛的飞行器有固定翼飞行器、旋翼飞行器、扑翼飞行器。然而,扑翼飞行器多采用仿自然生物飞行特征研究得到,它具有良好的激动灵活性,很高的升阻比,而且尺寸相对较小,耗能较少,因此相比较固定翼和旋翼飞行器应用更加广泛,目前在民用、国防、军事领域中都有着很好的应用。 从国内外研究现状中显示,目前扑翼机都处于研究阶段,远没有达到推广和大范围应用阶段,存在的问题也相对较多。本文以此为出发点,主要对扑翼机飞行器机构的动力学进行研究,通过对常见扑翼机飞行器传动机构的研究、分析和比较,发现其中的不足,本文在传统的曲柄摇杆的基础上对其进行改进,验证曲柄中存在夹角的曲柄摇杆机构在提高两侧摇杆同步性方面的优势,并且证实了不对称摇杆机构中曲柄存在夹角的情况,相比曲柄中不存在夹角的机构在减少左右摇杆相位差角方面更有优势,能提高不对称机构的同步性。通过对鸟类、昆虫两类生物飞行机理的研究,本文从仿昆虫、仿鸟类、仿蜂鸟三种生物对扑翼几飞行器尺度律进行分析,研究结果表明,扑翼飞行器与真实鸟类的尺度律之间还存在较大程度的差异。通过对扑翼机飞行器传统机构数学模型的建立、模型的求解和推导,得出最佳模型,并从常定力、惯性力以及阻尼力三个方面对飞行器进行了动力学仿真,定常力情况时,弹簧的存在使输入功率的峰值降低了86%,惯性力情况时,弹簧的存在使功率峰值降低了20%,阻尼力情况时,弹簧的存在使功率峰值升高了56%。从整个系统角度来说,弹簧通过对能量的储存和释放两个过程减缓了输入功率的峰值。为了进一步验证安装弹簧在减少功率峰值上的优势,对

变体飞行器控制系统综述

第30卷 第10期航 空 学 报 Vol 130No 110 2009年 10月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUT ICA SINICA Oct. 2009 收稿日期:2008208212;修订日期:2008212205 基金项目:国家自然科学基金(90605007);南京航空航天大学博 士生创新基金((B CXJ06208) 通讯作者:何真E 2mail:hezhen@https://www.360docs.net/doc/0b16857811.html, 文章编号:100026893(2009)1021906 206变体飞行器控制系统综述 陆宇平,何真 (南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016) A Survey of Morphing Aircraft Control Systems Lu Yuping,H e Zhen (College of Automation Engineering,Nanjing Universit y of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) 摘 要:介绍了变体飞行器控制系统和涉及的控制理论问题。分析了变体飞行器的控制系统,指出变体飞行器的控制系统由变形控制层和飞行控制层组成。对变体飞行器的硬件结构和变体飞行器控制方法的研究现状进行了阐述。分析了集中式和分布式两种变形机械结构以及控制系统体系结构,提出采用总线网络连接变形结构的分布式元件。总结了变体飞行器需深入研究的变形控制和飞行控制问题,包括大尺度变体飞行器的飞行控制问题,通信受约束的大数目的驱动器的协调控制问题。关键词:变体飞行器;变形控制;飞行控制系统;分布式控制;网络控制中图分类号:V249 文献标识码:A Abstr act:The control system and r elated cont rol theor y of morphing aircraft a re introduced.The cont rol sys 2tem of mor phing air cr aft is analyzed.I t is shown that the system consists of a shape cont rol loop and a f light cont rol loop.Advances in the mechanical structures and contr ol appr oaches of mor phing aircraft ar e discussed.The centra lized mechanica l morphing structur e,the distributed mechanical morphing st ructur e,and the contr ol system structure are analyzed.It is pr oposed that the distr ibuted components in a morphing st ructur e should be connected through a bus net work.F utur e work in the shape contr ol and flight control of morphing aircraft is summar ized,including the flight contr ol of large 2scale shape air craft,cooperat ive contr ol of large numbers of actuators under communication constraints. Key words:morphing aircraft;sha pe control;flight control systems;distr ibuted control;networked contr ol 变体飞行器能根据飞行环境和飞行任务的变化,相应地改变外形,始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境(高度、马赫数等)里执行多种任务(如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等) 的要求。变体飞行器还能够改善飞行器空气动力学性能,增加续航时间,用能连续、光滑变形的变形结构代替传统操纵面,提高隐身性能。由于具有这些优势,变体飞行器得到了各国的重视。目前,已开展过的或正在开展的变体飞行器项目有 [125] :美国的AFTI/F111自适应机翼项目,主动 柔性翼(AFW)计划,智能机翼(Smart Wing)项目 和近期启动的变形飞机结构(MAS)项目;欧洲的3AS(Active Aeroelastic A ir craft Structures)研究项目等。 与传统飞行器相比,变体飞行器最特殊之处在于它具有变形结构。这给气动、材料、结构、控 制和优化等多个学科提出了一系列有待研究的问题。在控制学科方面,变形结构的分布式驱动特性以及变形引起的飞行器模型的不确定性和非线性等都引出了许多具有挑战性的研究课题。本文总结与思考了变体飞行器的控制体系结构设计和控制理论研究,提出了需深入研究的变形控制和飞行控制方面的问题。 1 工作原理 变体飞行器的控制系统可分为两个层次,如图1所示。第1层可称为变形控制系统,对变形结构进行控制,即实现变形控制;第2层可称为飞行控制系统,控制整个飞行器的飞行状态,即实现飞行控制。 变体飞行器的变形结构是使变体飞行器实现/变体0的部件。为了获得高气动效率,变体飞行器的变形应该是连续的、光滑的,因此,大部分变形结构由大数量的分布式驱动单元组成。变形结构可以是分布式作动器驱动的机械连杆结构(驱

微型扑翼飞行器的现状及关键技术

无人机 本文2007-08-02收到, 作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教 图1 微型蝙蝠飞行器 微型扑翼飞行器的现状及关键技术 郭卫刚 贾忠湖 康小伟 摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。 关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S) MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。 按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。 1 研究现状 在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。 1.1 微型蝙蝠 微型蝙蝠是最早的电动扑翼飞行器,其机翼是采用微电机系统(ME MS)技术加工制作而成的。通过质量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。 加州理工学院在DARPA的倡议下依据仿生昆 19 飞航导弹 2007年第12期

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