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Robust Control of a Small-Scale Unmanned Helicopter

Ihsan Ullah  
【摘要】:微型直升机是高度不稳定、灵活、非线性欠驱动系统,具有显著的轴间动态耦合。它们比固定翼无人机更不稳定,且需要持续的控制。然而,直升机是高度灵活的飞机,其具有悬停、精确机动和相对于自身重量运载重物的能力。固定翼飞机应用于有利的非敌对条件,但在不利条件下,敏捷的微型直升机成为一种必然。直升机比固定翼无人机性能更好的条件包括军事调查、恶劣天气、消防、搜索和救援、进入偏远地区和船舶操作。在这种情况下,直升机受到未知的外部干扰,如风和地面效应。这些外部干扰对直升机的稳定性有着显著的反作用,在极端情况下会造成灾难性的后果。因此,设计和开发一种能有效抑制未知外部干扰影响的小型无人直升机控制器具有重要的理论意义和实际应用价值。本文的主要工作是建立小型无人直升机的简化非线性模型。然后研究了基于非线性系统线性化模型的鲁棒非线性控制技术的发展。首先,根据国际期刊上发表的研究成果,建立了小型无人直升机的简化11阶非线性模型。然后在悬停状态下对模型进行线性化,将模型分为两个子系统(纵向横向和偏航垂直)。在悬停状态下,这两个子系统是弱耦合的,适用于单独的控制器设计,使得控制器的设计过程非常简单。但在向前飞行和攻击性机动中,直升机的状态离盘旋状态还很远,这会降低其控制性能。模型失配和外部干扰近似采用干扰观测器。将干扰观测器与滑模控制相结合,使微型无人直升机具有良好的跟踪性能。本文的核心贡献和主要创新点如下。1.基于干扰观测器的小型无人直升机悬停滑模控制。2.基于固定时间扰动观测器的小型无人直升机悬停定时滑模控制。3.基于扩展状态扰动观测器的滑模控制在复杂风况下用于小型无人直升机航迹跟踪。


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