一类“浮力-压块”驱动飞艇建模及控制

研究一类"浮力-压块"驱动飞艇的动力学建模及控制器设计.通过对飞艇运动及受力分析,建立包括独立气囊和压块的该类飞艇6自由度非线性模型.该类飞艇的驱动力源自压块与气囊的反复耦合运动而非传统的推进器.通过将飞艇运动限制在纵向平面内,得到其纵向平面模型方程.对纵向模型分别实施非线性反馈变换和小扰动线性化,并设计反馈线性化控制器和线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)最优控制器,结合实验数据仿真验证这两种反馈控制器对飞艇平衡航迹的镇定和期望输出的跟踪,结果表明,该理论分析正确,控制算法有效.

自治飞艇动力学建模及反馈控制

在Kirchhoff方程和Newton—Euler理论基础上，推导出一种通用符合实际的、带有气囊和压块的飞艇六自由度动力学模型，并对该模型实施了状态量和控制量的非线性反馈变换，同时利用最小相位系统特性，构造飞艇反馈线性化动力学系统．在此基础上，分别研究了飞艇在纵向平面内的平衡飞行可行性和稳定性，以及平衡航迹的镇定和期望输出的跟踪．仿真结果和样机试飞都验证了理论分析的正确性和可靠性．

飞艇迎风控制器的设计

引用基于飞艇的动力学和运动学建立的飞艇姿态数学模型,在飞艇的扰动运动参数相对于基准运动参数偏离较小的情况下,采用小扰动法对该模型进行了线性化,然后在飞艇的外形和质量分布相对于纵向平面是对称和不考虑动力装置转动部件的陀螺效应的假设下,根据控制量的不同分别得到了纵向运动和横向运动的解耦方程。在该模型的基础上,加入PID控制来改善飞艇的动态响应特性,在考虑风速风向变化的情况下,依据自适应控制设计了飞艇的迎风控制器。仿真结果表明,飞艇的偏航角在风速风向的变化下能有效地跟随输入信号的变化,对完成飞艇定点监测森林火灾或飞艇作为定点通讯中继站等任务具有一定的实际应用意义。