飛行機(jī)器人的建模和控制.pdf

1、摘要竺，巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴里巴巴二摘要飛行機(jī)器人是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的多學(xué)科交叉的前沿性研究課題。近年來，隨著微電子技術(shù)特別是低價(jià)位的基于慣性測量元件的GPSIINS小型捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，小型無人直升機(jī)這種具有垂直起降和懸停功能的廉價(jià)飛行機(jī)器人在除軍事目的以外的民用領(lǐng)域獲得了初步應(yīng)用。正是基于在民用領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，本課題應(yīng)運(yùn)而生。小型無人直升機(jī)要成為名副其實(shí)的具有自主能力的“飛行機(jī)器人”，必須具有性能卓越的飛行控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)的

2、設(shè)計(jì)往往依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因此，木文的主要研究內(nèi)容是小型無人直升機(jī)的數(shù)學(xué)建模及其飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)分析了小型無人直升機(jī)與常規(guī)直升機(jī)的差異之處，包括其操縱機(jī)構(gòu)所特有的flybar和BellHiller混合器結(jié)構(gòu)，及其快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和高度的不穩(wěn)定性。然后針對(duì)差異之處進(jìn)行了重點(diǎn)建模，給出了兩種主旋翼和fl沙a:混合旋翼系統(tǒng)的揮舞運(yùn)動(dòng)方程并對(duì)主旋翼的入流和尾跡做出合理的假設(shè)，給出了尾跡的簡化建模方法。通過一系列的分析和研究，最

3、終給出了針對(duì)小型無人直升機(jī)的實(shí)用的低階飛行動(dòng)力學(xué)模型。該模型最大的優(yōu)點(diǎn)是:大部分參數(shù)可以直接測量得到，某些參數(shù)只需要通過簡單的飛行試驗(yàn)即可估計(jì)得到，并不需要專門的系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)?；谒⒌男⌒蜔o人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型，本文數(shù)值仿真了樣例機(jī)對(duì)操縱輸入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果反映出的小型無人直升機(jī)運(yùn)動(dòng)趨勢是合理、正確的，初步證明了該模型能夠刻畫小型無人直升機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基本特征，所建模型具有一定的精度。該仿真結(jié)果在課題研究的下一階段還可用來與飛行試驗(yàn)測

4、得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，并調(diào)校模型參數(shù)?；诮⒌臄?shù)學(xué)模型，在完成小型無人直升機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型配平及線性化的工作后，本文分別采用線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法LQR和非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法Gainscheduling為小型無人直升機(jī)設(shè)計(jì)了飛行控制系統(tǒng)，并通過數(shù)值仿真對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析和比較。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)能夠滿足指令跟蹤、姿態(tài)控制和抗干擾等飛行性能要求。關(guān)鍵詞飛行機(jī)器人數(shù)學(xué)建模揮舞運(yùn)動(dòng)非線性系統(tǒng)飛行控制

5、系統(tǒng)ABSTRACTthesesimulationresultscanbeusedcomparedwithdatacollectedfromflighttestexperimentstovalidatethemodelcorrectnessoradjustthemodelparametersHavingcompletedthetrimcalculationinsteadystraightlevelflightandlinearizati

6、onforthenonlinearmathematicalmodelofsmallscalehelicopterthispaperdesignedflightcontrolsystemsforsmall一scalehelicopterrespectivelyusinglinearcontrolsystemdesignalgorithmLQRandnonlinearcontrolsystemdesignalgorithmGainsched

7、uling.Theperformanceofflightcontrolsystemissimulatedandanalyzed.Thesimulationresultshowthattheflightcontrolsystemdesignedcansatisfytheflightperformancerequirementssuchascommandtrackingattitudecontrolanddisturbancerejecti