摘 要

微型无人飞艇具有较强的耐久性和安全性，能够快速投放，适用于低空大场景数据采集任务。目前硬件部分已经完成设计，但是还缺乏对微型飞艇运动控制系统的研究。

本文利用机理分析法、牛顿—欧拉转换等方法，建立微型无人飞艇的运动学和动力学模型。利用小扰动线性化原理，将飞艇的运动解耦为纵向运动和横侧向运动，构建了微型无人飞艇线性化纵向运动状态空间方程和横侧向运动状态空间方程，并利用现代控制理论原理分析了飞艇运动的能控性和稳定性。利用SIMULIK工具搭建飞艇状态仿真模型，绘制系统阶跃响应曲线。在状态方程的基础上，计算输入输出的传递函数，设计飞艇俯仰和偏航姿态负反馈控制系统，然后利用PID原理进行串联校正，提高系统稳定性。

通过对微型无人飞艇的建模与仿真，进行系统可行性验证，分析飞艇高速运动状态下的动静态性能，检验飞艇结构和推进系统设计的合理性，为以后实际微型无人飞艇运动控制系统的开发打下良好的基础。

关键词：微型无人飞艇；数学建模；SIMULIMK仿真；PID控制；

Abstract

Micro-unmanned airship has strong durability and safety, can be quickly put into the low-altitude large-scale data collection tasks. At present the hardware part has been completed design, but also lack the research of micro-airship motion control system research.

In this paper, the kinematics and dynamics models of micro-unmanned airship are established by means of mechanism analysis and Newton-Eulerian conversion. Based on the principle of small perturbation linearization, the motion of the airship is decoupled into longitudinal motion and lateral motion. The state spatial equation of the longitudinal motion and the lateral motion are constructed, and the controllability and stability of the airship are analyzed by the theory of modern control theory. Using SIMULINK tool to build the airship simulation model, and the system step response curve is drawn. On the basis of the state equation, the paper calculates the transfer function of the input and output , and designs the airship pitch and yaw attitude negative feedback control system.Then PID principle is used to adjust the series and improve the system stability.

Through the modeling and simulation of the miniature unmanned airship, the paper analyzes the feasibility of the system, and analyzes the dynamic and static performance of the airship . the paper tests the rationality of the airship structure and the propulsion system. For the future research of the micro-unmanned air motion control system , laying a good foundation.

Key Words： miniature unmanned airship; mathematical modeling; SIMULIMK simulation; PID control

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 飞艇发展历史 1

1.2.2 国外研究现状 3

1.2.3 国内研究现状 4

1.3研究内容 5

第2章 飞艇数学模型 6

2.1飞艇基本结构 6

2.2基本假设 6

2.3坐标系与参数定义 6

2.3.1坐标系定义 6

2.3.2参数定义 8

2.4 飞艇受力分析 8

2.4.1 重力G与浮力B 8

2.4.2 空气动力F_a 9

2.4.3 流体惯性力及附加质量F_I 10

2.4.4推力T 11

2.5 动力学方程 12

2.5.1质心动力学方程 12

2.5.2 转动动力学方程 13

2.6 六自由度数学模型 14

2.6.1动力学方程 14

2.6.2运动学方程 15

2.7 小结 16

第3章 飞艇运动学方程线性化 17

3.1 小扰动原理与基本假设 17

3.1.1 小扰动线性化原理 17

3.1.2 基本假设 18

3.2 纵向运动 18

3.2.1 纵向运动方程 18

3.2.2 纵向线性化运动方程 19

3.3 横侧向运动 21

3.3.1 横侧向运动方程 21

3.3.2 横侧向线性化运动方程 22

3.4 小结 24

第4章 飞艇运动性能分析 25

4.1飞艇状态能控性分析 25

4.1.1 纵向能控分析 25

4.1.2 横侧向能控分析 25

4.2 飞艇状态稳定性分析 26

4.2.1 Lyapunov稳定性分析原理 26

4.2.2 纵向稳定性分析 26

4.2.3 横侧向稳定性分析 26

4.3 飞艇运动对控制输入的响应 27

4.3.1运动状态方程simulink建模 27

4.2.3 纵向阶跃响应 28

4.2.3 横侧向阶跃响应 33

4.4 小结 35

第5章 飞艇姿态控制器设计 36

5.1 飞艇俯仰姿态控制器设计 36

5.1.1 俯仰角传递函数 36

5.1.2 飞艇俯仰角PID控制器设计 37

5.2 飞艇偏航姿态控制器设计 40

5.2.1 偏航角传递函数 40

5.1.2 飞艇俯仰角PID控制器设计 41

5.3 小结 44

第6章 总结与展望 45

参考文献 46

致 谢 47

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 研究背景

本研究来源于领域基金一般课题《复杂场景快速构建流程技术研究》和武汉市科技计划项目《传统出版单位数字化转型示范与推广》，项目中大型三维场景的快速构建需要一种能够快速布局、长时间续航的分布式载具系统。

飞艇在这方面有着很大的应用潜力，与多旋翼和固定翼无人机相比，它具有良好的工作环境，干扰较低，具有优异的耐久性和安全性，特别是能够在低空安全缓慢地飞行，提高了大范围场景数据搜集的效率。

项目提出来一种微型无人飞艇系统，能够通过运输机投放。该微型无人飞艇属于部分增升类型，浮升气体产生的静浮力略小于飞艇的重力，升力由矢量推进器提供，能够实现垂直起降。它具有快速投放、快速组网、续航能力强等特点，适用于大型场景数据采集、目标监控等场合。