PAPI灯飞行校验用旋翼无人机载体控制技术研究

发布时间：2017-10-18 05:06

  本文关键词：PAPI灯飞行校验用旋翼无人机载体控制技术研究

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【摘要】：精密进近航道指示器(Precision Approach Path Indicator,PAPI)系统对民航飞机的飞行安全具有重要意义。目前对PAPI系统的校验是通过民航客机完成的,存在精度低、价格昂贵、操作过程复杂等缺点。课题设计了一种基于旋翼无人机的机场PAPI灯光校验系统,重点研究了PAPI校验用旋翼无人机载体的控制、精确定位及高度精确控制、提高载体的控制稳定性和抗扰性技术。首先,设计了基于旋翼无人机的民航机场PAPI灯光校验系统。在分析民航标准与规约中关于PAPI系统光束仰角的容许角度误差基础上,提出了PAPI校验用旋翼无人机载体的控制精度指标。其次,针对PAPI校验任务对旋翼无人机载体稳定控制的要求,研究了旋翼无人机的姿态及位置控制算法。建立旋翼无人机动力学模型及其Matlab/Simulink仿真模型,研究基于滑模控制算法的旋翼无人机控制。针对经典滑模控制算法存在的高频“抖振”现象,提出基于非线性能量函数的改进滑模控制算法,设计了基于改进滑模控制算法的旋翼无人机姿态内环及位置外环控制器,通过仿真实验,验证所设计的改进滑模控制器的有效性。再次,针对PAPI校验任务对旋翼无人机载体精确定位及精确高度控制的要求,研究了基于多传感器融合的旋翼无人机精确定位与高度精确控制方法。为了实现在机场环境下旋翼无人机的精确定位与高度精确控制,设计了基于改进UKF(Improved Unscented Kalman Filter)方法的多传感器融合状态估计器,并通过实验验证。最后,针对机场常存在风力扰动因素的使用环境,研究提高旋翼无人机载体稳定性与抗扰性的方法。针对传统旋翼无人机旋翼转速开环控制结构的缺点,设计了基于改进滑模观测器的旋翼转速无传感器控制子系统。同时,研究了基于扰动观测的旋翼无人机动态扰动参数估计器。搭建了系统的硬件与软件平台,进行实际无人机飞行控制实验,验证所设计的旋翼无人机载体的控制精度能够满足PAPI校验任务对旋翼无人机载体提出的控制精度指标要求。
【关键词】：PAPI校验 旋翼无人机 改进滑模法 多传感器融合 扰动参数估计 转速无传感器控制
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景意义9-11
• 1.2 国内外研究现状及综述11-17
• 1.2.1 国外研究现状12-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.2.3 研究现状综述16-17
• 1.3 课题研究内容17-19
• 第二章 基于旋翼无人机的PAPI校验系统设计19-24
• 2.1 基于旋翼无人机的PAPI校验任务分析19-20
• 2.1.1 PAPI校验任务分析19
• 2.1.2 基于旋翼无人机的PAPI校验系统工作原理介绍19-20
• 2.2 基于旋翼无人机的PAPI校验系统结构设计20-22
• 2.2.1 系统结构框架设计20-21
• 2.2.2 系统各组成模块功能说明21-22
• 2.3 PAPI飞行校验用旋翼无人机载体技术要点分析22-24
• 2.3.1 PAPI校验规则分析22
• 2.3.2 PAPI校验用旋翼无人机载体关键技术分析22-24
• 第三章 PAPI校验用旋翼无人机载体控制算法研究与仿真24-49
• 3.1 旋翼飞行器动力学建模与仿真模型的建立24-31
• 3.1.1 旋翼飞行器飞行及控制原理介绍24-25
• 3.1.2 旋翼飞行器动力学建模25-30
• 3.1.3 旋翼飞行器仿真模型的建立30-31
• 3.2 旋翼飞行器控制算法研究及仿真31-43
• 3.2.1 基于PID控制律的旋翼飞行器控制及仿真31-35
• 3.2.2 旋翼飞行器动力学模型的状态空间实现35-36
• 3.2.3 基于反步积分法的旋翼飞行器控制及仿真36-39
• 3.2.4 基于滑模控制法的旋翼飞行器控制及仿真39-43
• 3.3 基于非线性能量函数的改进滑模控制法的旋翼飞行器控制与仿真43-47
• 3.3.1 基于参考模型的非线性能量函数43-44
• 3.3.2 基于非线性能量函数改进滑模法的旋翼飞行器控制与仿真44-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 PAPI校验用旋翼无人机载体精确定位与高度精确控制49-63
• 4.1 基于GPS与IMU融合的组合导航定位研究49-54
• 4.1.1 旋翼飞行器定位坐标系转换49-50
• 4.1.2 基于EKF方法的GPS与IMU融合定位50-54
• 4.2 基于改进UKF方法的多传感器融合精确定位与精确高度控制54-60
• 4.2.1 坐标系转换54-55
• 4.2.2 基于改进UKF方法的多传感器融合位置与高度状态估计器设计55-60
• 4.3 实验分析60-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 旋翼无人机载体控制稳定性及抗扰性的提高63-74
• 5.1 旋翼无人机控制系统旋翼转速无传感器控制子系统设计63-70
• 5.1.1 旋翼无人机控制系统结构分析63-64
• 5.1.2 基于非线性能量函数改进滑模观测器的PMSM无传感器控制64-69
• 5.1.3 基于改进滑模观测器的旋翼无人机旋翼转速内环无传感器控制69-70
• 5.2 基于扰动观测的旋翼无人机动态扰动观测器研究70-71
• 5.3 实验分析71-72
• 5.4 本章小结72-74
• 第六章 系统硬件平台设计与软件实现及实验分析74-84
• 6.1 系统硬件平台设计74-77
• 6.2 系统软件设计实现77-79
• 6.3 系统实验分析79-83
• 6.4 本章小结83-84
• 结论84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-90
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的学术活动90

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本文编号：1053090