硕士毕业答辩正式版汇编

01:27多螺旋桨太阳能无人机纵向控制方法研究答辩人：导师：答辩日期：上海交通大学硕士论文答辩01:2701/PPT目录总结与展望!研究背景与意义论文研究目标论文研究内容论文研究成果01:27气象观测通讯中继军事监察导弹制导HALE(HighAltitudeLongEndurance)02/论文研究背景能源系统构成!01:2703/国外研究成果1974

19801990200020101974&1975SunriseI&II1980GossamerPenguin1981SolarChallenger1986Sunseeker1996Icaré21986Helios2006Zephyr2007Odysseus!01:27西北工业大学北京航空航天大学/中国电子科技研究院航向差动推力能源优化高度势能储能非线性气动弹性飞行策略柔性机翼动力学国防科技大学03/国内研究现状!01:27对于差动推力方法控制俯仰的研究,除了在太阳神的专利报告中提及可以仅用螺旋桨实现全方向控制之外，国内外并未见到相关具体的研究成果04/论文研究意义!PatentsNo:US7198225B2DateofPatent:Apr.3,2007Aircraftcontrolsystem01:2705/论文研究难点!柔性机翼变形影响多螺旋桨控制分配能源约束条件苛刻01:27具有柔性机翼的太阳能无人机动力学建模多螺旋桨差动推力的控制律与控制分配设计纵向飞行轨迹规划06/研究目标!01:27机翼变形分析气动计算模型螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计第二章第三章第四章第五章07/论文研究内容!气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计气动导数01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计太阳能无人机结构示意08/总体参数!01:27名称值名称值机翼展长16.0m平尾展长3.00m机翼弦长0.80m平尾弦长0.50m总长4.0m机翼前缘距机头0.32m垂尾高度2.40m螺旋桨间距1.60m垂尾弦长0.5m内侧螺旋桨距机身1.60m起飞重量35kg巡航速度23.5m/s任务高度20000m

气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计08/总体参数!01:2709/!机翼变形分析气动计算模型气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计机翼变形分析螺旋桨的转速能相互独立；螺旋桨之间的间距视为力臂差动产生的力矩改变无人机姿态——多螺旋桨差动推力控制方法01:27气动计算模型气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计机翼变形分析机翼受力分析机翼上的合力受到空气密度（飞行高度）、飞行速度以及升力系数等影响太阳神号机翼变形09/机翼变形分析!01:27气动计算模型气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计机翼变形分析D.H.Hodges<<NonlinearAeroelasticityandFlightDynamicsofHigh-AltitudeLong-EnduranceAircraft>>09/机翼变形分析!01:27有限元计算结果杆半径(m)弹性模量(GPa)密度(kg/m3)泊松比0.012.314000.3飞行速度(m/s)单侧机翼总升力(N)每个节点受力(N)0005320.41089.61.115112.21.420121.61.52PATRAN计算模型气动计算模型气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计机翼变形分析09/机翼变形分析!01:27机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计气动计算模型AVL程序(AthenaVortexLattice)是由美国麻省理工学院（MIT）Drela教授等编写的基于涡格法的计算程序。适用于亚音速、不可压流，可以计算定翼机的气动特性及操稳特性以及飞机的地面效应AVL建模10/AVL气动计算!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计线性化动力学方程常规无人机纵向小扰动线性化方程吴森堂《飞行控制系统》11/动力学方程!01:27多螺旋桨+机翼变形升降舵+推进器气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计线性化动力学方程11/动力学方程!01:27设计仿真情况：飞行速度9.7m/s，升降舵顺时针偏转1%设计仿真情况：飞行速度9.7m/s，最外侧螺旋桨增加1%气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计线性化动力学方程12/开环性能仿真!01:27通过有限元方法计算得到机翼的变形，通过气动分析软件获取无人机在典型工况下的气动数据。基于解耦线性化方法，建立太阳能无人机动力学模型，该模型在稳定性导数和差动推力作用力臂等方面体现了机翼柔性变形因素13/小结!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制器设计执行机构特性俯仰姿态保持前向速度跟踪俯仰姿态控制框图升降舵的偏转过程在控制设计中常采用一阶惯性环节模拟高空螺旋桨具有很大的桨径，指令响应速度很慢。目前论文还没有获取具体动态特性参数，认为符合一阶惯性环节特点，时间常数为升降舵的10倍14/纵向控制律设计!01:27飞行高度20km，飞行速度23.5米/秒。初始俯仰角0°，目标俯仰角5°。飞行高度20km，飞行速度23.5米/秒。初始俯仰角0°，目标俯仰角5°。多螺旋桨升降舵气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制器设计15/!仿真结果与分析01:27操纵能力：大调节时间：短，跟踪速度快控制过程：产生较大幅度超调动作速度：快，机动性大执行机构：升降舵偏转存在短时频繁震荡，

对寿命产生影响，可靠性降低操纵能力：小调节时间：长，是升降舵的十倍左右控制过程：平滑，超调量为零动作速度：较为缓慢执行机构：螺旋桨推力变化小，可靠性高多螺旋桨升降舵气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制器设计15/仿真结果与分析!01:27设计俯仰姿态控制和前向速度保持的PID控制律，该控制律对于差动推力和升降舵两种操纵手段均适用。通过数字仿真验证了控制律的有效性，并对比分析了两种操纵手段的各自特点16/小结!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计控制分配框图大展弦比机翼与多螺旋桨螺旋桨冗余减小了单个螺旋桨的任务负担能源模块化控制分配17/控制分配方法!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计17/控制分配方法!伪逆法SQP法一般优化问题01:27当前飞行速度9.7m/s，速度保持。当前俯仰角0°，目标俯仰角5°伪逆法气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计18/仿真结果!01:27当前飞行速度23.5m/s，速度保持。当前俯仰角0°，目标俯仰角8°气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计18/仿真结果!伪逆法01:27当前飞行速度9.7m/s，速度保持。当前俯仰角0°，目标俯仰角5°气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计18/仿真结果!SQP法01:27不同目标函数对螺旋桨推力输出的影响气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计18/仿真结果!SQP法01:27当前飞行速度9.7m/s，速度保持。当前俯仰角0°，目标俯仰角5°平流层中，气流相对平稳，变化较小，以水平向的风为主，垂直方向的风可以不予考虑。气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计18/仿真结果!抗水平风01:27实时性好计算简便工程适应性高容易饱和

伪逆法计算量大有利于能源优化执行机构输出可调节序列二次规划能够跟踪目标曲线震荡次数多需考虑饱和抗水平风气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计控制分配方法设计19/小结!针对分布式多螺旋桨推进系统，设计差动推力同时控制俯仰姿态与前向速度的控制分配方法，运用伪逆法和序列二次规划分别予以实现01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度线性时变模型根据飞行高度和速度确定气动导数飞行高度设计设计高度控制律结合高度势能储能方法功率消耗分析结合太阳能电池输出功率曲线20/飞行高度设计!01:27线性时变系统结构框图气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度21/线性时变模型!01:27作以下简化假设：（1）认为储能电池充电和放电效率均为100%；（2）不考虑储能电池存在放电深度，可以实现满充满放。白天太阳能电池为负载提供能源并且为锂离子电池充电。夜晚太阳能不足时，锂离子电池放电为无人机提供动力。气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计22/太阳能电池假设能源系统构成!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计2015年6月23日，经度为121°，纬度为31.4°，高度20000米。机翼面积为12.8m2，太阳能电池转换效率18%。23/太阳能电池功率!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度势能储能爬升阶段始：获得充足的太阳能末：上升到指定高度无人机获得的太阳能理论上全部转化为无人机上升及推进所需要的能量。而储能电池得到的电量为零24/高度势能储能!01:27高空平飞储能阶段始：到达指定飞行高度末：储能电池充满始终保持平飞状态，由于获得的太阳能仍不断增加，储能电池开始储存电量气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度势能储能24/高度势能储能!01:27剩余能量爬升阶段始：储能电池出现过载末：太阳能无法维持无人机在当前高度的平飞利用多余的太阳能电池发电使无人机继续爬升至新的高度，剩余电能转化为了机械能气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度势能储能24/高度势能储能!01:27滑翔阶段（带动力滑翔/无动力滑翔）始：剩余能量为零末：滑翔至设定高度带动力滑翔阶段可看作航迹角为负的爬升阶段，太阳能和势能转化为动能无动力滑翔阶段是一个重力势能转化为动能的阶段，理论上储能电池不需要供电。气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度势能储能24/高度势能储能!01:27低高度平飞放电阶段始：到达指定平飞高度末：储能电池放电完毕电量为零，或者无人机重新获得充足太阳能稳定的高度持续平飞。由储能电池为推进系统供电气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计高度势能储能24/高度势能储能!01:27飞行高度(km)飞行速度(m/s)单个螺旋桨推力(N)单个螺旋桨推进功率(w)推进总功率(w)59.71718414721013.217.62522016151818.335028002023.519.24963968253020.46305040气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计推进消耗功率25/推进功率消耗!01:27气动计算模型机翼变形分析气动导数螺旋桨位置变化线性化动力学方程控制器设计控制分配方法设计推进消耗功率高度势能储能高度太阳能电池功率总体参数纵向飞行轨迹设计夜晚平飞高度(km)夜晚平飞时间(hour)电能消耗(kw*h)512.719.11013.126.11513.434.9夜晚平飞在不同的高度所消耗的功率不同26/纵向轨迹设计太阳能电池&推进所需功率推进所