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基于频域辨识的微小型无人直升机的建模与控制研究

吴建德  
【摘要】: 由于微小型无人直升机具备体积小、重量轻、隐蔽性强、机动性好、易实现悬停、超低空和大机动飞行等优点,使得它在军事和民用方面都具有广泛的应用前景,近年来更是成了国内外很多机构和组织的研究对象。 在微小型无人直升机的研究中,动力学模型的建立和自主飞行控制律的设计是目前需要解决的关键问题。本论文的主要工作是系统而完整的给出了无人直升机自主飞行控制系统的设计和实现、以及飞行实验验证,包括:原理样机的系统组成,飞控系统工程实现中的技术难点的解决,各种实验装置的选取和设计,基于频域辨识的微小型无人直升机建模的一般方法,自主飞行控制算法的设计和实现,以及采用智能控制方法对姿态控制的进一步改进和提高。论文结合微小型无人直升机的特点,重点研究了微小型无人直升机的建模及自主飞行控制器的设计。论文的研究成果对微小型无人直升机的进一步研制和自主飞行控制律设计具有重要的理论和实际意义。 具体来说,本文主要做了以下工作: 第一章首先介绍了论文的研究背景和选题意义,以及目前国内外的微小型无人直升机的研究概况,随后综述了微小型无人直升机的建模技术和飞行控制技术,最后用一个框图来展示本文的篇章结构。 第二章介绍了本论文研究的微小型无人直升机系统及其关键技术。首先介绍了该系统的各个模块和基本功能;然后讨论了传感器数据融合等工程实践中碰到的技术难点,并一一做了解决;最后,对地面飞行模拟实验平台做了详细的介绍。 第三章确定了微小型无人直升机悬停状态下的简化模型。首先详细分析了微小型无人直升机的动力学特性;并以此分析结果,进行了悬停状态的配平计算,给出了计算的详细步骤,并通过飞行实验验证了配平结果的准确性。然后,利用空间刚体的六自由度运动方程,建立了无人直升机全状态非线性方程;并采用小扰动线性化方法,得到了无人直升机定常运动的小扰动线性微分运动方程;最后依据无人直升机悬停状态的特征,提出简化条件,得到了悬停状态下的线性模型。该模型对于自主悬停控制具有重要意义。 第四章提出了一种基于频域辨识的微小型无人直升机建模方法。该方法结合了机理建模和系统辨识的优点,通过严格的机理推导建立了微小型无人直升机横纵向通道的角动态参数化模型。利用基于偏相干分析法的频域辨识获得无人直升机的角动态传递函数,进而利用机理模型和辨识结果之间的关系,确定考虑了稳定杆的主旋翼时间常数和主旋翼桨毂刚度系数等关键物性参数,对于直升机的配平计算、其它通道的建模和控制器设计都有非常重要的意义。最后,利用交叉验证的方法验证所得模型,模型预测数据和飞行实验数据的比较表明,所建模型很好的反映了样例无人直升机在悬停状态下的动态特性,可以在该状态下以此模型进行自主飞行控制器设计。该方法实际可行、易工程化,可用于其它微小型无人直升机的建模研究。 第五章根据所得横纵向通道的角动态模型进行自主飞行控制系统设计,这也是对第四章获得的模型在实际飞行控制系统中的适用性检验。论文首先采用基于串级多回路的PID控制策略实现了静风条件下的,无人直升机自主悬停控制;然后,用基于单神经元的PID复合控制策略改进速度闭环,并得到了6m/s阵风干扰下的无人直升机自主悬停控制。最后,对小速度前飞进行了讨论,进行了实际飞行实验,实验结果表明第三、四章建立的悬停下简化模型针对小速度前飞同样适用。 第六章针对具有非线性、复杂动力学特性的无人直升机,提出了一种基于输出反馈自适应的姿态控制方法。首先假设控制对象满足输出反馈线性化条件,然后把对象的近似线性模型作为对象的微分同胚来设计控制器,对于由对象的未建模部分及干扰等引起的误差,采用自适应神经网络进行补偿,并利用李雅普诺夫稳定性定理证明跟踪误差和神经网络权值误差有界。将此方法用于无人直升机姿态跟踪控制的仿真中。仿真结果表明,基于该方法设计的控制系统具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能。 第七章对本论文的研究成果做了总结,并对接下来的研究工作做了展望。


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