涵道式无人机系统投放负载过程的运动稳定性研究

The Ducted Fan Unmaned Aerial Vehicle (DF-UAV) can be easily resulted in dynamics instability during throwing, for example pendulum vibration, low precision track, and out of control, etc. In order to optimize the design of mechanical structure and control system, the stability of the whole throwing process of DF-UAV is studied by the method of Lyapunov exponent under the theoretical model and experimental data. First, the quantitative relation between dynamics parameters and system’s stability is analyzed by Lyapunov exponent based on the dynamics model. Then, the theoretical analysis result is compared with the Lyapunov exponent obtained from time series of experimental data. At last, the platform of simulation and application for the stability analysis of DF-UAV is built. Moreover, this study provides a set of simple and effective analysis tools for flying ducted fan DF-UAV with the effection of noise. Also, the nonlinear analysis method proposed in this study can be employed to many multi-disciplinary fields such as mechanical, electrical, aerospace science, and so on.

涵道式无人机系统在投放负载过程中，极易产生钟摆振动、精度降低、失控坠落等动力学失稳问题。为了指导整个系统的机械结构设计及控制系统优化，本项目拟在理论和实验的基础上通过Lyapunov指数方法研究整个投放过程的运动稳定性。首先，在建立的动力学模型的基础上，通过Lyapunov指数方法分析动力学参数变化与系统运动稳定性之间的量化关系；然后，在获得的实验数据的基础上，通过基于时间序列的Lyapunov指数方法对理论分析结果进行对比和修正；最后，构建整个系统运动稳定性的仿真分析和应用示范平台。本项目的实施不仅能为涵道式无人机等含噪声干扰的非线性系统稳定性提供一种简单实效的分析工具，而且能推动非线性系统稳定性理论向机电、航空、航天等多学科领域发展。

涵道式无人机系统在投放负载过程中，极易产生钟摆振动、精度降低、失控坠落等动力学失稳问题。为了指导整个系统的机械结构设计及控制系统优化，本项目在理论和实验的基础上通过Lyapunov指数方法研究整个投放过程的运动稳定性。首先，在基于空间算子代数理论的动力学建模基础上，研究动力学参数变化与系统稳定性之间的量化关系。并根据建立的量化关系模型进行计算机仿真，确定影响系统稳定性的主要参数。相关成果发表在了《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》、《Springer Tracts in Advanced Robotics》、《华中科技大学学报》等杂志。然后，在理论分析的基础上，从实验数据分析的角度，通过含噪声时间序列的Lyapunov指数方法实现了涵道式无人飞行器实际飞行中状态量的稳定性的分析问题，相关成果发表在《Nonlinear Dynamics》、《International Journal of Advanced Robotic Systems》等杂志。最后，建立了涵道式飞行器稳定性仿真分析平台，已经成功的应用于大气边界层气象要素的探测，以及化工园区等的大气污染监测当中，相关成果已发表在《International Journal of Aerospace Engineering》。同时，本项目的研究成果已在无人船、水下机器人等相关机器人的稳定性、可靠性领域得到了较好的应用，解决了大型船用设备并联机构及并联机床多体系统高效动力学建模及关键技术，获得了江苏省机械工业科技进步奖三等。总之，本项目的实施不仅能为涵道式无人机等含噪声干扰的非线性系统稳定性提供一种简单实效的分析工具，而且能推动非线性系统稳定性理论向机电、航空、航天等多学科领域发展。