基于頻域辨識的微小型無人直升機的建模與控制研究.pdf

1、由于微小型無人直升機具備體積小、重量輕、隱蔽性強、機動性好、易實現(xiàn)懸停、超低空和大機動飛行等優(yōu)點，使得它在軍事和民用方面都具有廣泛的應用前景，近年來更是成了國內(nèi)外很多機構(gòu)和組織的研究對象。 在微小型無人直升機的研究中，動力學模型的建立和自主飛行控制律的設計是目前需要解決的關(guān)鍵問題。本論文的主要工作是系統(tǒng)而完整的給出了無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)、以及飛行實驗驗證，包括：原理樣機的系統(tǒng)組成，飛控系統(tǒng)工程實現(xiàn)中的技術(shù)難點

2、的解決，各種實驗裝置的選取和設計，基于頻域辨識的微小型無人直升機建模的一般方法，自主飛行控制算法的設計和實現(xiàn)，以及采用智能控制方法對姿態(tài)控制的進一步改進和提高。論文結(jié)合微小型無人直升機的特點，重點研究了微小型無人直升機的建模及自主飛行控制器的設計。論文的研究成果對微小型無人直升機的進一步研制和自主飛行控制律設計具有重要的理論和實際意義。 具體來說，本文主要做了以下工作： 第一章首先介紹了論文的研究背景和選題意義，以及

3、目前國內(nèi)外的微小型無人直升機的研究概況，隨后綜述了微小型無人直升機的建模技術(shù)和飛行控制技術(shù)，最后用一個框圖來展示本文的篇章結(jié)構(gòu)。 第二章介紹了本論文研究的微小型無人直升機系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)。首先介紹了該系統(tǒng)的各個模塊和基本功能；然后討論了傳感器數(shù)據(jù)融合等工程實踐中碰到的技術(shù)難點，并一一做了解決；最后，對地面飛行模擬實驗平臺做了詳細的介紹。 第三章確定了微小型無人直升機懸停狀態(tài)下的簡化模型。首先詳細分析了微小型無人直升機

4、的動力學特性；并以此分析結(jié)果，進行了懸停狀態(tài)的配平計算，給出了計算的詳細步驟，并通過飛行實驗驗證了配平結(jié)果的準確性。然后，利用空間剛體的六自由度運動方程，建立了無人直升機全狀態(tài)非線性方程：并采用小擾動線性化方法，得到了無人直升機定常運動的小擾動線性微分運動方程；最后依據(jù)無人直升機懸停狀態(tài)的特征，提出簡化條件，得到了懸停狀態(tài)下的線性模型。該模型對于自主懸?？刂凭哂兄匾饬x。 第四章提出了一種基于頻域辨識的微小型無人直升機建模方法

5、。該方法結(jié)合了機理建模和系統(tǒng)辨識的優(yōu)點，通過嚴格的機理推導建立了微小型無人直升機橫縱向通道的角動態(tài)參數(shù)化模型。利用基于偏相干分析法的頻域辨識獲得無人直升機的角動態(tài)傳遞函數(shù)，進而利用機理模型和辨識結(jié)果之間的關(guān)系，確定考慮了穩(wěn)定桿的主旋翼時間常數(shù)和主旋翼槳轂剛度系數(shù)等關(guān)鍵物性參數(shù)，對于直升機的配平計算、其它通道的建模和控制器設計都有非常重要的意義。最后，利用交叉驗證的方法驗證所得模型，模型預測數(shù)據(jù)和飛行實驗數(shù)據(jù)的比較表明，所建模型很好的反映

6、了樣例無人直升機在懸停狀態(tài)下的動態(tài)特性，可以在該狀態(tài)下以此模型進行自主飛行控制器設計。該方法實際可行、易工程化，可用于其它微小型無人直升機的建模研究。 第五章根據(jù)所得橫縱向通道的角動態(tài)模型進行自主飛行控制系統(tǒng)設計，這也是對第四章獲得的模型在實際飛行控制系統(tǒng)中的適用性檢驗。論文首先采用基于串級多回路的PID控制策略實現(xiàn)了靜風條件下的，無人直升機自主懸?？刂?；然后，用基于單神經(jīng)元的PID復合控制策略改進速度閉環(huán)，并得到了6m/s陣風

7、干擾下的無人直升機自主懸?？刂?。最后，對小速度前飛進行了討論，進行了實際飛行實驗，實驗結(jié)果表明第三、四章建立的懸停下簡化模型針對小速度前飛同樣適用。 第六章針對具有非線性、復雜動力學特性的無人直升機，提出了一種基于輸出反饋自適應的姿態(tài)控制方法。首先假設控制對象滿足輸出反饋線性化條件，然后把對象的近似線性模型作為對象的微分同胚來設計控制器，對于由對象的未建模部分及干擾等引起的誤差，采用自適應神經(jīng)網(wǎng)絡進行補償，并利用李雅普諾夫穩(wěn)定