微型飞行器系统设计.

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系统设计微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计微型飞行器控制系统设计飞行动力学建模飞行动力学特性分析控制系统设计信息传输系统设计能源与动力系统设计微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行动力学建模质心运动学方程质心动力学方程质心运动学方程旋转运动方程旋转动力学方程旋转运动学方程微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行动力学建模微型飞行器设计导论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kdVmPAmgdt()()()TTaxayazaAAAADCL考虑螺旋桨滑流影响的MAV气动工程化模型0apapiVVV232323222appDpappCpappLpVDCSVCCSVLCS(,,)(,,)(,,)DpDpaCpCpaLpLpaCCnVCCnVCCnV0()1()()()(()()()kmmmkmmbbmaapamggdVVLPLAALgdtm000(/01cos(/)0(/)()pxbkkpkbybbakgpzbDDdVdtVγdχdtCCmgVdγdtLLPLPLLP.../coscos/cossinsin/gkxggkygkgkzgdxdtVdydtVVdzdtV航迹坐标系下质心动力学方程航迹坐标系下质心运动学方程MAV飞行动力学建模微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV绕质心旋转动力学方程22()(/)(/)0(/)()()0()(/)(/)zyybzbzxxbybxxbzxzbrollyybxzzbxbzxxbzbyxxbybzxybzbzzbzxxbIIIIddtIddtLIddtIIIMPeNIIIIddtIddt000rollrollrollpppLLLMMMNNNMAV绕质心旋转运动学方程tan(sincos)//cossin/(sincos)/cosxbybzbybzbybzbddtddtddt——考虑螺旋桨滑流作用的MAV旋转运动方程MAV飞行动力学建模微型飞行器设计导论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MAV运动参数变化规律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。tXAe2sin(1)ntnXAet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0稳定单调变化0稳定振荡变化00tttt不稳定振荡变化不稳定单调变化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。MAV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系统设计在任意初始状态基础上对MAV飞行进行数值仿真对仿真数据进行分析，获得该状态下MAV相应飞行品质在飞行包络线范围内，对MAV进行飞行品质分析具体步骤：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MAV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系统设计结果：91011121314-4-20240.150.20.250.30.350.4速度(m/s)俯仰角振荡模态特性迎角扰动(o)阻尼比910111213140.150.20.250.30.350.4速度(m/s)阻尼比不同扰动幅度下俯仰角运动模态特性随速度变化迎角扰动=-3(o)迎角扰动=-2(o)迎角扰动=-1(o)迎角扰动=1(o)迎角扰动=2(o)迎角扰动=3(o)-3-2-101230.150.20.250.30.350.4迎角扰动(o)阻尼比不同速度下俯仰角运动模态特性随迎角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/s)阻尼比相对迎角扰动与速度规则曲面阻尼比随速度变化曲线阻尼比随迎角偏差变化曲线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MAV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系统设计91011121314-4-20240.40.450.50.550.60.65速度(m/s)俯仰角振荡模态特性迎角扰动(o)周期(s)910111213140.40.450.50.550.6速度(m/s)周期(s)不同扰动幅度下俯仰角运动模态特性随速度变化迎角扰动=-3(o)迎角扰动=-2(o)迎角扰动=-1(o)迎角扰动=1(o)迎角扰动=2(o)迎角扰动=3(o)-3-2-101230.40.450.50.550.6迎角扰动(o)周期(s)不同速度下俯仰角运动模态特性随迎角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/s)周期相对迎角扰动与速度规则曲面周期随速度变化曲线周期随迎角偏差变化曲线MAV俯仰角运动模态周期全状态分析图结果：——基于MAV数学模型的飞行动力学全状态特性分析方法MAV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系统设计91011121314-2-101200.10.20.30.4速度(m/s)滚转角振荡模态特性侧滑角扰动(o)半衰周期(s)9101112131400.050.10.150.20.250.30.350.4速度(m/s)半衰周期不同扰动幅度下滚转角运动模态特性随速度变化侧滑角扰动=-2(o)侧滑角扰动=-1(o)侧滑角扰动=-0.5(o)侧滑角扰动=0.5(o)侧滑角扰动=1(o)侧滑角扰动=2(o)-2-1.5-1-0.500.511.5200.050.10.150.20.250.30.350.4侧滑角扰动(o)半衰周期(s)不同速度下滚转角运动模态特性随侧滑角扰动变化V=9(m/s)V=10(m/s)V=11(m/s)V=12(m/s)V=13(m/s)V=14(m/s)半衰周期相对侧滑扰动与速度规则曲面半衰周期随速度变化曲线半衰周期随侧滑偏差变化曲线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MAV非线性飞行动力学特性研究结果：微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行控制与导航系统设计微处理器芯片三轴陀螺三轴加速度计空速计气压高度计卫星接收机电源电调电动机螺旋桨或旋翼机构或扑翼机构遥控遥测舵机组任务设备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系统设计MAV导航系统特点导航系统任务复杂：剧烈的姿态、位置变化系统硬件最优组合：尺寸与有效载荷的限制系统精度、可靠性：微型MEMS电子元器件MAV飞行控制与导航系统设计MAV导航系统微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计捷联惯导GPS微型空速计微型高度计MAV飞行控制与导航系统设计MAV导航系统MAV导航系统方案微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行控制与导航系统设计MAV导航系统MAV导航系统结构微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行控制与导航系统设计MAV导航系统MAV导航系统硬件微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计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状态空间模型四元数结构下的姿态运动学方程()qq001()020xbybzbxbzbybybzbxbzbybxb加入陀螺漂移量进行补偿，构成状态矢量qxb漂移量为随机变量31()0bqx微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计三轴加速度计测量值aaGPS数据获得加速度ga51015202530-2-101234时间(s)Ax(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值51015202530-4-3-2-10123时间(s)Ay(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值51015202530-4-3-2-101234时间(s)Az(m/s2)加速度真实值加速度GPS差分计算值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测量空间模型微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计两个加速度之间的关系gxaxbgaygyazgzgaaaaLaa01122331233202311303122101/2()/(4)()/(4)()/(4)qlllqllqqllqqllq2032121233013210bgqqqqqqqqqqqqqqqL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测量空间模型微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计51015202530-505101520时间(s)滚转角(o)本文组合滤波测量结果单纯陀螺角速率积分结果真实值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仿真结果微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV质心运动学方程的一般形式ggmkmRLV基于GPS信号的MAV导航信息提取可靠性实时性基于纯惯导的MAV导航信息提取基于气压传感器信息的MAV导航信息提取00ggbpRLV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系统设计优化原理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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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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系统设计组合算法获取MAV质心位移速度222ggpsiinszzerowindggiznVnVnVVnnn14(4)0(4)gstarsgstarsgnnne14tine1224()wVzneggRV权重系数：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系统设计仿真结果020406080100120140160180200-500-400-300-200-1000100200X(m)Y(m)实际轨迹GPS测量轨迹基于空速计的测量值纯惯导系统测量值本文组合导航测量值0102030405060979899100101102103104105106时间(秒)高度(m)本文方法测量值GPS高度测量值纯惯导高度测量值实际高度值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系统设计MAV飞行控制与导航系统设计飞行控制系统流程初始化开始XXms周期到检测与处理遥控指令处理控制参数修改飞行状态解算控制律计算与执行更新遥测数据飞行数据记录NY导航系统控制系统微型飞行器设计导论微型飞行器系统设计MAV飞行控制与导航系统设计飞行控制系统方案微型飞行器设计导