无人直升机飞行控制系统设计与工程实现

发布时间：2017-10-17 08:41

  本文关键词：无人直升机飞行控制系统设计与工程实现

  更多相关文章： 自适应控制 模型跟踪 解耦控制 半物理仿真 无人直升机 飞行控制计算机

【摘要】：无人直升机因具有独特的飞行特点在军事和民用领域上得到广泛应用。由于无人直升机是一个多变量、高度非线性、强耦合等高阶复杂系统,使得高性能无人直升机飞行控制系统的设计面临很大的挑战。本文以模型直升机为研究对象,提出了由参考模型和跟随模型相结合的新型自适应姿态跟踪控制方法。创新性设计了由DSP和XE167组成的双CPU控制器,并基于该控制器,采用常规控制方法和本文提出的自适应控制方法完成试飞对比实验,从工程的角度验证了新型自适应控制系统的优越性,为今后进一步研究无人直升机大包线飞行和变旋翼转速优化奠定了基础。首先,根据空气动力学和运动学原理,采用分部件建模方法建立了无人直升机全量非线性数学模型。基于小扰动法获得线性化数学模型,并进行了耦合特性分析,为后续无人直升机解耦控制奠定了基础。其次,从实际工程角度出发,采用易于工程实现的不变性动态解耦方法对系统进行解耦控制,然后采用常规控制方法,分别进行姿态内回路和位置外回路基本控制律的设计,并在半物理仿真平台上验证了控制律的正确性。再次,考虑测量噪声、通道间耦合、配平误差和气动参数不确定性对无人直升机控制的影响,本文提出了由参考模型和跟随模型相结合的新型自适应姿态跟踪控制方法,并进行可调参数收敛性分析,根据半物理仿真结果进行自适应控制律的改进,引入了可自动淡入淡出的可变增益,解决了在自适应学习后期测量噪声对控制输出的不利影响。半物理仿真结果验证了改进后的自适应控制器具有良好的姿态跟踪性能。最后,本文结合DSP和单片机XE167的优点,自主设计了一款移植性好、兼容性高、功能齐全的双CPU飞行控制计算机系统,实现了数据处理和飞控计算的分离,完成了主要外围模块和控制器软件的设计。基于双核CPU控制器分别采用常规控制方法和新型自适应控制方法进行了试飞验证,结果表明新型自适应控制方法比常规控制方法具有更加优越的控制品质。
【关键词】：自适应控制 模型跟踪 解耦控制 半物理仿真 无人直升机 飞行控制计算机
【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】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 课题研究背景和意义15-16
• 1.2 国内外无人直升机研究现状16-19
• 1.3 无人直升机飞行控制技术研究现状19-21
• 1.4 本文研究的内容及安排21-23
• 第二章 无人直升机数学建模23-36
• 2.1 常用坐标系定义23-25
• 2.2 无人直升机各部件气动力模型25-30
• 2.2.1 主旋翼气动力模型25-27
• 2.2.2 尾桨气动力模型27-29
• 2.2.3 机身气动力模型29
• 2.2.4 无人直升机重力分量29-30
• 2.3 无人直升机模型的建立30-31
• 2.3.1 无人直升机合外力及合力矩30
• 2.3.2 无人直升机运动学方程30-31
• 2.4 无人直升机配平及线性化31-33
• 2.4.1 无人直升机配平31-32
• 2.4.2 无人直升机小扰动线性化方程32-33
• 2.5 无人直升机耦合性分析33-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 无人直升机常规控制器设计及试验验证36-54
• 3.1 带动态解耦的姿态内回路控制律设计36-42
• 3.1.1 动态解耦系统设计36-39
• 3.1.2 增稳回路控制律设计39
• 3.1.3 纵横向姿态回路控制律设计39-41
• 3.1.4 航向姿态回路控制律设计41-42
• 3.2 位置外回路控制律设计42-45
• 3.2.1 高度保持回路控制律设计42-43
• 3.2.2 速度保持回路控制律设计43-44
• 3.2.3 定点悬停控制律设计44-45
• 3.3 半物理仿真验证45-53
• 3.3.1 半物理仿真系统原理及组成45-48
• 3.3.2 姿态内回路半物理仿真验证48-51
• 3.3.3 位置外回路半物理仿真验证51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 无人直升机自适应控制器设计及试验验证54-69
• 4.1 无人直升机姿态控制问题的描述54-55
• 4.2 自适应姿态跟踪控制器设计55-65
• 4.2.1 系统结构框图设计55-57
• 4.2.2 误差补偿器设计57-58
• 4.2.3 自适应控制律设计58-61
• 4.2.4 可调参数收敛性分析61-63
• 4.2.5 半物理仿真验证63-65
• 4.3 自适应控制律改进65-68
• 4.3.1 改进后系统结构框图65-66
• 4.3.2 半物理仿真验证66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 基于双CPU无人直升机控制器实现69-86
• 5.1 基于DSP和XE167双核控制器设计69-74
• 5.1.1 DSP控制器设计70-71
• 5.1.2 XE167控制器设计71-74
• 5.2 主要外围功能模块设计74-77
• 5.2.1 传感器数据采集系统设计74-76
• 5.2.2 数据通讯系统设计76-77
• 5.2.3 执行机构系统设计77
• 5.3 无人直升机飞行控制系统软件实现77-81
• 5.3.1 数据采集软件实现78-79
• 5.3.2 飞行控制软件实现79-80
• 5.3.3 遥控遥测系统软件实现80-81
• 5.4 无人直升机飞行试验验证81-85
• 5.5 本章小结85-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 论文总结86-87
• 6.2 工作展望87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-93
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文93

【参考文献】

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本文编号：1047861