题目：基于切换理论的变体飞行器姿态控制方法研究

变体飞行器是一种能够根据飞行环境和飞行任务的变化，相应地改变气动外形的新型飞行器。变体飞行器所涉及的技术领域包含材料、精密机械、结构、力学及飞控等多学科，应用了主动气动弹性翼、自适应气动结构机翼、智能机翼、智能旋翼等高新技术。因为其结构变形会导致重心位置、机翼展长、转动惯量、机翼面积等构型参数的改变，还会引起气动力与力矩，惯性力与力矩的非线性变化，所以一般的固定翼飞行器的动力学模型无法对其进行准确的描述，且对其飞行控制系统的设计带来了困难。因此，本文着眼于变体飞行器动力学模型的建立与分析及其控制器的设计与验证，主要研究了以下内容：

(1) 建立了变体飞行器的多刚体模型。针对能够进行外形结构变化的，具有不同气动布局飞行的变体飞行器，加入由变形引起的气动力与力矩、惯性力与力矩的非线性变化，利用空间质点运动学及动力学从Lagrange动力学基本方程式出发，建立带有约束条件的变体飞行器多刚体模型运动方程，并通过质点系假设对复杂的多刚体模型运动方程进行简化。得到的质点系假设条件下的多刚体动力学模型具有简单易于分析的形式。

(2) 利用简化的变体飞行器多刚体动力学模型，建立了一种变体无人机“火蜂”的运动方程。基于变体飞行器“火蜂”的两种构型，分析了频域特性并分别设计了俯仰姿态保持控制器。其中内环采用俯仰角速率反馈，外环俯仰角姿态反馈。在从巡航模式到冲击模式的转换过程中，在两种模型之间进行插值得到一系列的设计点，并设计相应地俯仰姿态保持子控制器。在后掠角变化的过程中通过切换子控制器的方式得到两种模式转换过程中的俯仰姿态保持控制器。

(3) 设计了基于重叠参数区域的变体飞行器切换LPV控制器,以机翼后掠角为调参变量建立变体飞行器LPV模型，将时变参数范围划分为若干参数区域。利用权值系数和参数重叠区域的概念通过求解线性矩阵不等式组构造一组LPV控制器，以变形变量为决策变量设计切换策略。基于重叠区域的切换方法，可以保证切换时刻系统的稳定性。针对变体飞行器“火蜂”的纵向通道设计了切换LPV控制器。仿真结果表明通过参数重叠区域构造LPV模型之间能够平稳快速切换，该方法下变体飞行器在变形过程中有较好的迎角抗扰能力。

(4) 针对变体飞行器的气动布局随着环境和任务的变化而不同的问题，提出了一种基于TP模型的切换多胞系统变增益控制方法。按照变体飞行器的不同气动布局，引入局部重叠切换系统的概念将飞行包线划分成若干局部重叠的参数区域。通过高阶奇异值分解方法构成TP多胞系统。为顶点系统设计鲁棒变增益控制器，并利用多胞模型综合各个顶点系统的控制器。利用此方法分别为各个局部重叠区域建立TP多胞系统。采用公共李亚普诺夫函数和平均驻留时间相结合的方法，对切换多胞系统进行稳定性分析。仿真结果表明切换多胞系统变增益控制可以实现良好的指令跟踪，并保证飞行包线内切换系统的稳定性。