一种针对扑翼飞行器的振动控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及自动控制技术领域，特别是指一种针对扑翼飞行器的振动控制方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着人们对无人机技术需求的持续增加，W及先进制造技术、新材料技术 和新能源技术的飞速发展，使微型飞行机器的研究成为技术热点。1992年在未来军事技术 的研讨会上，美国国防高级研究计划局首次提出了较完整的微型飞行器(MAV，Micro Air Vehicles)的概念。MAV是无人机中用途广泛的一个类别，可用来在一些特定环境下视察、监 督或捜索目标。
[0003] 由于无人机在军用和民用方面的需求增加，设计者们力求减轻无人机的重量，同 时提高系统的可操作性。因此，目前无人机的设计广泛采用重量较轻的柔性机翼。与刚性机 翼相比较，柔性机翼主要的优点为灵活性高、成本效益好、更加敏捷W及性能好等。然而，灵 活的柔性机翼容易振动，产生预期外的误差。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种针对扑翼飞行器的振动控制方法及装置，能 够有效地抑制由外界扰动引起的柔性机翼变形的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种针对扑翼飞行器的振动控制方 法，所述针对扑翼飞行器的振动控制方法包括：
[0006] W二自由度的柔性机翼为研究对象，计算系统动能、势能和虚功；
[0007] 利用哈密顿原理建立系统动力学模型；
[000引根据所述系统动力学模型设置边界控制率，所述边界控制率包括F(t)和M(t)，所 述F( t)为边界控制力输入，M( t)为边界扭矩输入；
[0009] 根据系统动力学模型结合边界控制率对柔性机翼进行控制。
[0010] 优选的，所述W二自由度的柔性机翼为研究对象，计算系统动能、势能和虚功，包 括：
[ocm]将系统的动能Ek(t)表示如下：
(1 )
[0013]其中，空间变量X和时间变量t是相互独立的，m是柔性机翼的单位展长质量；Ip是 柔性翼的惯性极距;y(x，t)是XOy坐标系中位置X、时间t处的弯曲位移;0(x，t)是相应的偏 转角度位移；
[0014]将系统的势能Ep(t)表示如下： (2 )
[0016] 其中，EI读示抗弯刚度，GJ是扭转刚度；
[0017] 由W上两个刚度产生的虚功训c(t)为：
[0018] 8课知）=mXec\L 歹(又，1:)5吹x,t)dx +mXeC^一 6(jc,t)dy{x,t)dx ,。 Jo 山） (O )
[0019] 其中XeC表示机翼质屯、到弯曲中屯、的距离；
[0020] Kelvin-Voigt阻尼力所做的虚功训d(t)为：
[002"1]挪d、台=叫作1心 f\x，t)妨'\x，t)dx -巧站.b 6 孤[x,t)d：x ( 4 )
[0022] 其中，n是Kelvin-Voigt阻尼系数；
[0023] 分布干扰做的虚功训f(t)为：
[0024] SWfit) = ￡ t)Sy{x, t) - x.cF,^{x, t)S0{x, t)~\dx (旨）
[0025] 其中XaC表示气动中屯、到弯曲中屯、的距离;Fb是沿着机翼方向未知的时变分布式干 扰；
[00%]边界控制力对系统所做的虚功训u(t)为：
[0027] 5Wu(t)=F(t)Sy化，t)+M(t)S 目（L，t) (6)
[0028] 上式中，F(t)是边界控制力输入;M(t)是边界扭矩输入；
[00巧]于是，总虚功为：
[0030] 5W(t)=5[Wc(t)+Wd(t)+Wf(t)+Wu(t)] (7)
[0031] 优选的，所述利用哈密顿原理建立系统动力学模型，包括：
[0032] 利用哈密顿平稳作用量原理：
[003；3] 广孔货,扮-应々红)+ F似]沉=Q
[0034] 此处S代表变分符号，求得系统动力学模型的控制方程为：
[0035] m梦[x,t) + 邸右- mXpC狄x,t) + = Fb[x,t). ( g )'
[0036] IiJKx't) - GJff'ix't) _ 阻wrix't) - TjGJ妒(、x,t) = -XaCF'Ja't) ;( g ;
[0037] 求得系统动力学模型的边界条件为：
[003引 y(0,t)=y'(0,t)=y"(；L，t) =目(0，t)=0 (10)
[0039] EI、y"'(Lt) + qElJr"U，t) = -F[t) (11》
[0040] am'{L，t) + 雌舟也^ =姑化 (C)
[0041] 优选的，所述在系统动力学模型基础上设计边界控制器，包括两个控制律:F(t)和 M(t)，所述F(t)为边界控制力输入，M(t)为边界扭矩输入，包括：
[0042] 构造李雅普诺夫候选函数如下
[0043] V(t)=Vi(t)+A (t) (13)
[0044] 其中，Vi(t)和A (t)分别定义为
[0047] W上两式中a和e都是较小的正权系数；
[004引通过使李雅普诺夫候选函数正定，李雅普诺夫函数对时间t的导数巧江负定设计 边界控制率。
[0049] 优选的，所述计算李雅普诺夫候选函数正定，李雅普诺夫函数对时间t的导数巧 负定时的边界控制率，包括：
[0050] 定义一个新的函数如下：
[005^1] K(r) = Jo 十[媒文，机2 + [jr"(A'，f)p + [矿0，f)P}況- '(1'反）'
[0052] 贝iJVi(t)有上界和下界为
[0053] T2K(t) < Vi(t) < y iK(t) (17)
[0化4] 上式中，
[0化5]进一步，A (t)放大为 A片）< {am + awx c + j3inx/:) [ j(x, t) Y'dx
[0化6] 午{坊1'.口 午 amXfC + PmXpC) 换jc,t)V dx + ('访放' + 访您义.(?)左* [ [F^X, ?")]2曲''
[0化7] + (a/p + a化TfdZ; jlc'U，〇]:广估 < ；K：jK(f) / >i〇、 化 （I社）
[0化引 其中
[0059] 丫 3=m曰x{口m+口mxec+曲XeC,口Ip+口mxeC+PmxeC, (口m+口mxeG)L4, (口Ip+口mxeC)L2|若正数 的馬足
则有
[0060] 0< A2K(t) < V(t) < AiK(t) (19)
[0061 ]即构造的李雅普诺夫函数正定，其中Al = 丫 1+丫 3，A2= 丫 2-丫 3;
[0062] V(t)对t求导后得
[006；3]惦)=f非）+ A的 （20 ) V知）二恤。女[x,t)八x,t)dx +01P。换x,t)吕[x,t)dx
[0064] + jiGJ 6\x, t)0'{x, t)dx +PEI^ [" t)x"{x, t)dx . _ ,. J巧 Jo ( ^ l )
[0065] 将控制方程(8)和(9)带入上式，得到
[0066] 哈巧')=.A '+ 美' + 為 + 馬 + A + 冰 （22')
[0067] 其中，Ai-As每项分别为
[006引 4 =-片处6|^兴义，玄从+片化4]"。^'"(义，^)少"(义，^)血 （23)
[0069] As =-的时,义 jrU，t)f …(x，t)dx ( 24)
[0070] 4 =片皿-尸。0 戸)拼方，f) +丈(J-，f)换不 f) ( 25 )
[0071] Ai =巧。八x，t)Fbij(，t)dx -批'占、换x,t)Fb[x，t)dx ( 26 )
[007^ A = PG巧白{x，，t)化冲GJ{目\又,t)台'[X, t)dx /。7 '、 Jo Jo 义足
[007；3] -k =的GJ。紙X，t)d"，t)dx ( 2这）
[0074] 应用分部积分和边界条件(10),(11)和(12)，得
[007引其中，Ol和化是正常数，Fbmax是分布式干扰FbU，t)的最大值；
[0079] As = pGjeU，t)Q\L、t)=賊化，t)M{t) ( 32 )
[0081 ] 通过W上A广As，得到如下
[0084] 同样，A (t)对t求导得
[00化]A賦=屋i +店2 +…馬 （35 )
[008引 '公1. = -a去幻户"'(义:约淑 （36)
[0087] 忍2 = _货"公4￡ jU.，广化;'"'林，。曲 （37)
[008引 技S 二 aGJ、ebc，t)炉ij(,t)dx (說)
[0089] 馬=a於/￡ 0〇r，d谷"U，广)血 （39)
[0090] 馬二货/"f l>U，广）Pf/jr + ?/p f [谷U,广）]2& JO JO ( 4U )
[0091] [yix, t)0{x, t) + y{x, t)0{x, t) ]c/x ( 41 ) 广左 ?.
[0092] 二一^amXfC、^[x,t)Q[x，t)ck ( 42 )
[0093] 目谷=a\L y[：x,t)Fbb(,t)dx - aXac\L eij(，t)Fbbc,t)dx . JO JO ( 40 )
[0094] 将边界条件带入W上式子，得到
[00巧]度1: = -aj'(/-，f)巧f)-站/,Jo主[y'U，別2妨 (44 )
[0101] W上化-07都是正常数；
[0102] 因 1?，由 B广Bs,得
[01化]由得到的式子(34)和(50)，整理得
[010引令护的=户节）+ 口例。和诚）二#W + /?必(r)为新的控制变量，设计控制率如下
[0109] r片）=/如化fU，/.)十仍U，|〇 ] ( 52 )
[0110] Vit) =. -k如紙L,t) + .的化,t)、 ( 53 )
[0111] 其中山>0，1?>0为控制增益。
[0112] 本发明还提供一种针对扑翼飞行器的振动控制装置，所述针对扑翼飞行器的振动 控制器包括：
[0113] 系统数据获取模块，用于W二自由度的柔性机翼为研究对象，计算系统动能、势能 和虚功；
[0114] 模型建立模块，用于利用哈密顿原理建立系统动力学模型；
[0115] 控制率设置模块，用于根据所述系统动力学模型设置边界控制率，所述边界控制 率包括F(t)和M(t)，所述F(t)为边界控制力输入，M(t)为边界扭矩输入；
[0116] 机翼控制模块，用于根据系统动力学模型结合边界控制率对柔性机翼进行控制。
[0117] 优选的，所述系统数据获取模块包括：
[0118] 系统动能获取单元，用于将系统的动能Ek(t)表示如下：
…
[0120] 其中，空间变量X和时间变量t是相互独立的，m是柔性机翼的单位展长质量；Ip是 柔性翼的惯性极距;y(x，t)是XOy坐标系中位置X、时间t处的弯曲位移;0(x，t)是相应的偏 转角度位移；
[0121] 系统势能获取单元，用于将系统的势能Ep(t)表示如下：
(2 )
[0123] 其中，EIb表示抗弯刚度，GJ是扭转刚度；
[0124] 系统虚功获取单元，用于由W上两个刚度产生的虚功训。(t)为：
[012引 8W知）=扭x"c\ y(j{,t)5(Kx，t)dx + 曲Xpci 6{x,t)8y[x,t)ck . J曰. JC 义:d /
[0126] 其中XeC表示机翼质屯、到弯曲中屯、的距离；
[0127] Kelvin-Voigt阻尼力所做的虚功训d(t)为：
[012 引 S禪。(t) = -r]EIi\L。八Xj)妨"(x,t)dx - TjGJ 文。d'U,t)Se\:x，t)dx ( 4 ')
[01巧]其中，n是Kelvin-Voigt阻尼系数；