超小型無人直升機飛控系統(tǒng)及自主滯空飛行的研究.pdf

1、超小型無人直升機具有成本低、體積小、攜帶方便、起飛著陸場地小等特點，尤其是可做滯空飛行，這使其在反恐防爆等重要場合進行應用的優(yōu)越性特別突出。但是，超小型無人直升機是一個非線性、強耦合以及非穩(wěn)定的動力學系統(tǒng)，尤其是在滯空飛行狀態(tài)下，其穩(wěn)定性非常差，更容易受到風等外力的干擾，所以，進行超小型無人直升機飛控系統(tǒng)以及自主滯空飛行的研究，具有重要的理論意義和應用價值。 本論文在分析了國內外對超小型無人直升機系統(tǒng)研究的基礎上，歸納了超小型

2、無人直升機系統(tǒng)的若干問題，并根據研究背景的需要，提出了進行超小型無人直升機飛控系統(tǒng)的研究目標，并規(guī)劃了為實現研究目標而需要進行的研究內容。 接著，從實際需求出發(fā)，對超小型無人直升機系統(tǒng)的傳感器、控制器和通訊系統(tǒng)進行了選型，并基于模塊化的指導思想進行了超小型無人直升機的總體方案設計。 姿態(tài)傳感器是超小型無人直升機控制系統(tǒng)的核心部件，為了得到高性能的姿態(tài)參考系統(tǒng)，本論文對超小型無人直升機機載慣性傳感器進行了信息融合的研究

3、；融合的主要思想是：積分角速率信號得到預估姿態(tài)，然后由加速度計和磁力計得到的姿態(tài)角作為觀測量，糾正預估姿態(tài)中由于隨機漂移等因素引起的誤差，得到最優(yōu)的姿態(tài)信息，并同時對角速度陀螺的漂移誤差進行估計。根據上述融合思想，本論文提出了卡爾曼濾波算法一種新的模型，并進行了線性化和離散化處理，最后通過實驗驗證了基于該擴展卡爾曼濾波算法的低成本姿態(tài)參考系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。 對于一個實際的系統(tǒng)，推導其數學模型是一個基本而且重要的部分，一

4、個好的數學模型可以使我們明白系統(tǒng)的運動機理和物理結構，對進行控制系統(tǒng)的設計有很大的幫助。為了建立超小型無人直升機的數學模型，本論文首先建立了超小型無人直升機的機體剛體動力學方程和空氣動力學模型，同時對主槳和貝爾-希勒翼進行了研究，在上述研究的基礎上，通過對滯空飛行狀況下超小型無人直升機動力學方程的合理假設，先后求解得到伺服小翼揮舞角的表達式以及俯仰力矩、橫滾力矩和偏航力矩的簡化方程，從而確定了具有物理意義的滯空飛行狀態(tài)下的超小型無人直升

5、機姿態(tài)模型的結構。 對上述滯空飛行狀態(tài)下超小型無人直升機姿態(tài)模型中存在的一些未知參數，本論文通過系統(tǒng)辨識的方法得到上述參數。首先，分析超小型無人直升機的特點，并根據其特點設計了飛行實驗，然后利用飛行數據，采用預測誤差法對姿態(tài)模型中的未知參數進行系統(tǒng)辨識，從而獲得完整的姿態(tài)模型；然后，通過仿真對上述姿態(tài)模型進行研究，通過研究發(fā)現：在滯空飛行狀態(tài)下，超小型無人直升機姿態(tài)的耦合性主要存在與俯仰通道和橫滾通道之間。超小型無人直升機的飛

6、控系統(tǒng)包括導航控制和姿態(tài)控制，而且導航控制一般也是以姿態(tài)控制作為內環(huán)來實現的。姿態(tài)控制是超小型無人直升機飛控系統(tǒng)的核心問題，也是最關鍵的問題。根據上面的分析，本論文建立以姿態(tài)控制為內環(huán)，導航控制為外環(huán)的超小型無人直升機飛控系統(tǒng)的控制框架。針對超小型無人直升機姿態(tài)通道之間的耦合性，本論文首先采用了一種神經網絡解耦控制算法；然后提出了一種模糊規(guī)則前提、模糊規(guī)則結論和解模糊具有自適應調節(jié)性能的超小型無人直升機姿態(tài)自適應模糊控制算法，并對超小型

7、無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能進行了仿真驗證；另外，對超小型無人直升機的導航系統(tǒng)進行了研究。 在上述幾章研究的基礎上，本論文對超小型無人直升機飛控系統(tǒng)的軟硬件進行了設計。本論文首先采用模塊化的思想設計了機載飛控系統(tǒng)，它由姿態(tài)參考系統(tǒng)模塊、GPS制導模塊、舵機控制模塊和主控模塊組成。然后，根據各個模塊的功能，對機載飛控系統(tǒng)的軟件任務進行了分解，簡化了軟件設計的難度；并采用時鐘驅動策略和循環(huán)查詢標志策略相結合的方法，對機載飛控系統(tǒng)的