小型直升机自适应控制技术研究与实现

发布时间：2017-10-12 21:43

  本文关键词：小型直升机自适应控制技术研究与实现

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【摘要】：小型直升机具有重量轻、体积小、功耗低等优点。与固定翼飞机相比,可以完成悬停、垂直起降、机动飞行等任务。凭借自身特性,小型无人直升机引起了学术界的极大兴趣,并且在军用和民用领域都有广泛的应用前景。本文主要研究小型无人直升机飞行控制算法,并通过仿真实验对所设计的飞行控制算法进行了验证。本文研究的主要内容如下:1.从工程应用出发,忽略状态变量间的耦合,对直升机状态方程进行了简化,得到了简化的四通道模型;2.在分析了小型直升机工作和结构特性的基础上,根据导航计算和飞行控制的需要,采用DSP+ARM的双处理器硬件结构,DSP负责组合导航计算,ARM运行飞行控制程序并输出驱动信号,并设计并实现了相关硬件平台;3.在分析多个飞行模态的控制需求的基础上,综合考虑位置、速度和姿态等飞行参数之间的结构关系,设计了位置制导,速度和姿态串联的串级PID控制器,并进行了仿真实验,验证了算法的有效性和稳定性;4.开展了直升机抗干扰控制方法研究。将常值风视为外界扰动,在不改变串级结构的基础上,分别对姿态内环加入加速度前馈和利用模糊算法在线调节速度环的PID参数。并进行了对比仿真实验,结果表明改进后算法能够使直升机在悬停阶段具有更好的扰动抑制能力,环境适应能力得到有效的提高。5.本文在半实物仿真平台上,采用串级自适应控制器使直升机完成全阶段飞行任务。整个过程具有良好的控制精度、稳定性和响应速度。实验结果表明实验平台和控制算法均取得了预期的效果。上述研究工作表明,本文构建的半实物仿真平台可以完成飞行算法的验证,并简化从仿真到实践的过程。此外,采用前馈和自适应算法结合的思想,可以有效地提高无人机的抑制扰动以及环境适应能力。
【关键词】：小型直升机 飞行控制系统 串级控制 自适应算法 模糊PID控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究的背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-13
• 1.2.1 国内外研究现状11-13
• 1.2.2 无人机发展趋势13
• 1.3 课题基础13-14
• 1.4 论文内容与结构14-15
• 第二章 小型直升机控制原理及模型简化15-21
• 2.1 小型直升机的基本结构和原理15-16
• 2.2 小型直升机的数学模型16-20
• 2.2.1 常用坐标系及转换16-18
• 2.2.2 直升机动力学模型18-19
• 2.2.3 直升机状态方程19-20
• 2.3 小型直升机模型简化20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 飞行控制系统设计21-31
• 3.1 飞行控制系统总体设计21-24
• 3.1.1 对象分析21-22
• 3.1.2 需求分析22
• 3.1.3 飞行控制系统总体结构22-24
• 3.2 飞行控制系统硬件电路总体结构设计24-25
• 3.3 ARM模块电路25-27
• 3.3.1 ARM模块结构25
• 3.3.2 微处理器25-26
• 3.3.3 SD卡接口电路26
• 3.3.4 USB接口电路26-27
• 3.3.5 舵机控制电路27
• 3.4 DSP模块电路27-29
• 3.4.1 DSP模块结构27
• 3.4.2 DSP芯片简介27-28
• 3.4.3 串口通讯电路28
• 3.4.4 I2C总线电路28-29
• 3.4.5 CAN总线电路29
• 3.5 实验成果29-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第四章 飞行控制算法31-48
• 4.1 控制算法原理31-32
• 4.1.1 经典PID控制算法31
• 4.1.2 串级控制器31-32
• 4.2 飞行控制器设计32-40
• 4.2.1 飞行控制器结构设计32-34
• 4.2.2 飞行控制器实现34-40
• 4.3 实验结果40-47
• 4.3.1 仿真平台介绍40-42
• 4.3.2 仿真实验分析42-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第五章 常值风扰动情况下悬停控制算法48-60
• 5.1 常值风扰动对直升机的影响48
• 5.2 常值风扰动下的控制算法研究48-57
• 5.2.1 姿态-加速度前馈控制48-50
• 5.2.2 速度-模糊PID控制50-57
• 5.3 悬停对比仿真57-59
• 5.3.1 常规PID与加速度前馈控制对比57-58
• 5.3.2 常规PID、加速度前馈和模糊PID控制对比58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 总结60
• 6.2 展望60-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：1021097