小型無人直升機(jī)動態(tài)分析與非線性控制研究.pdf

1、小型無人直升機(jī)具有獨(dú)特的空中懸停、垂直起降、超低空以及大機(jī)動飛行的能力，還具備體積小、重量輕、成本低、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此它在軍事偵察、搜索救援、空中航拍以及建筑測繪等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，小型無人直升機(jī)是一種較復(fù)雜而特殊的控制對象，其動態(tài)模型具有多輸入多輸出、強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性、欠驅(qū)動、靜不穩(wěn)定的特性，實(shí)現(xiàn)其自主飛行控制比較困難。因此，研究小型無人直升機(jī)的自主飛行控制具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　本文主要在

2、詳細(xì)分析小型無人直升機(jī)動態(tài)模型基礎(chǔ)上，對小型無人直升機(jī)飛行控制問題進(jìn)行了研究?；趤喭豑REX450小型電動直升機(jī)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了小型無人直升機(jī)姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)平臺，同時(shí)提供了一個(gè)飛行姿態(tài)控制算法驗(yàn)證平臺。針對無人直升機(jī)動態(tài)模型中存在的非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動、參數(shù)不確定性以及外部擾動等問題，提出了三種非線性飛行控制策略，并且應(yīng)用基于Lyapunov理論的分析方法證明所提出的控制設(shè)計(jì)能夠使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定跟蹤期望軌跡，并保證閉環(huán)系統(tǒng)信號的有界性。此

3、外，通過MATLAB/Simulink數(shù)值仿真，驗(yàn)證本論文所提出控制算法具有良好的預(yù)設(shè)軌跡跟蹤能力，以及對模型參數(shù)攝動或者外界擾動具有良好的魯棒性。具體而言，本文研究工作主要包括以下幾個(gè)方面：
　　首先，參考小型無人直升機(jī)建模方面已經(jīng)取得的研究成果，詳細(xì)闡述了小型無人直升機(jī)非線性動態(tài)模型。模型推導(dǎo)采用分模塊構(gòu)建的方法，主要包括機(jī)體運(yùn)動學(xué)模型、機(jī)體動力學(xué)模型、力和力矩模型、主旋翼揮舞動力學(xué)模型等。通過對每部分的詳細(xì)分析，得到較為完整

4、的小型無人直升機(jī)非線性參數(shù)化模型。
　　第二，以小型電動直升機(jī)作為被控對象，設(shè)計(jì)構(gòu)建了姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)平臺。在對小型電動直升機(jī)的電子控制式差分螺距混合控制結(jié)構(gòu)的傾斜盤驅(qū)動舵機(jī)分通道解耦的基礎(chǔ)上，使用防止舵機(jī)飽和的不完全微分PID增量式控制算法實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)的飛行姿態(tài)控制，通過飛行試驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)平臺和控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。
　　第三，在分析小型無人直升機(jī)位置和姿態(tài)動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用反步自適應(yīng)方法設(shè)計(jì)了飛行軌跡跟蹤控制器。為了便于控制

5、器設(shè)計(jì)，將無人直升機(jī)動力學(xué)模型拆分為高度、航向、平動三個(gè)子系統(tǒng)。針對模型質(zhì)量和慣性矩陣的參數(shù)不確定性，使用自適應(yīng)更新律對未知參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)，解決了模型存在參數(shù)不確定性的問題。基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，從理論上證明了閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。
　　第四，基于包含主旋翼揮舞動力學(xué)特性以及外部擾動的一類小型無人直升機(jī)動態(tài)模型，設(shè)計(jì)了一種新的滑?？刂破?，控制目標(biāo)為跟蹤預(yù)先設(shè)定的時(shí)變速度以及航向角參考軌跡。為了便于控制器設(shè)計(jì)，將非線

6、性模型在平衡點(diǎn)線性化后拆分為縱向側(cè)向子系統(tǒng)以及航向高度子系統(tǒng)?？刂破髟O(shè)計(jì)采用滑模控制方法以補(bǔ)償不可測的揮舞角動態(tài)效應(yīng)以及外部擾動的影響?；贚yapunov穩(wěn)定性理論，從理論上證明了閉環(huán)系統(tǒng)的全局指數(shù)穩(wěn)定性。
　　第五，結(jié)合近似反饋線性化方法和滑?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種小型無人直升機(jī)的非線性魯棒控制器，控制目標(biāo)為跟蹤預(yù)先設(shè)定的時(shí)變位置以及航向角參考軌跡。基于忽略力與力矩耦合的非線性模型設(shè)計(jì)近似反饋線性化控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦，并使用