小型无人直升机多模态飞行控制系统设计与实现

发布时间：2017-10-19 22:17

  本文关键词：小型无人直升机多模态飞行控制系统设计与实现

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【摘要】：小型无人直升机具有高灵敏度、高准确性和飞行过程安全可靠等特点。相比于其它固定翼无人机,小型无人直升机造价低、体积小、重量轻,能够完成垂直起降、空中悬停、协调转弯、向前和向后飞行等多种姿态飞行,它不仅能够完成固定翼无人机所能完成的各种任务,诸如飞行训练、地质勘探、气象观察、搜索救援、运输等,而且它对起飞场地,使用环境要求都较小,能够适应复杂多变的环境。凭借自身的特性,小型无人直升机在民用和军用方面都有着广泛的应用。本论文对小型无人直升机的飞行控制系统设计方法进行了研究,并通过大量的仿真实验和真实飞行实验,对所设计的飞行控制方法进行了验证。 论文的主要研究内容和贡献如下: (1)研究了小型无人直升机的数学模型。在卡内基梅隆大学所建立的Yamaha R50型十一阶直升机数学模型基础上,分析了亚拓600小型无人直升机的物理特性。 (2)基于PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法,设计了小型无人直升机飞行控制系统底层控制结构。整个底层控制结构分成内环、中环和外环三个控制回路。控制算法能控制直升机完成起飞、悬停、降落等动作,并具有良好的稳定性。 (3)基于直升机所处的飞行阶段,对直升机进行飞行模态的划分。目前将直升机模态分为五种飞行模态:静止模态、起飞模态、巡航模态、降落模态、异常模态。并对每一个模态都设计了不同的控制策略,来保障直升机在各个模态下保持良好的飞行特性。 (4)采用软件架构设计的方法,对飞行控制系统机载软件进行了架构设计。从功能逻辑层次和数据运行层次两个方面,对飞行控制系统架构进行了细致的分析,从而有效地改善了软件质量,提高了机载软件的鲁棒性。 (5)在PC 104机载计算机上,基于Linux操作系统平台,实现了机载飞行控制系统软件。并对最终实现的软件进行了可调度性分析。 (6)设计并完成了直升机室外飞行实验,通过对实验数据的分析,验证了飞行控制系统设计的正确性。 本文主要研究和实现小型无人直升机自主飞行控制系统,为自主飞行小型无人直升机的研制创造了良好的基础。本文所设计的飞行控制系统,已经成功控制亚拓600型无人直升机在室外环境中完成自动起飞、定点悬停和自动降落等飞行任务,而且具有良好的控制精度、稳定性和响应时间特性。
【关键词】：UAV 无人直升机 飞行控制 多模态 PID控制 软件架构
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 前言10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.3 论文研究目标15-16
• 1.4 论文结构16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 2 相关技术介绍18-30
• 2.1 小型无人直升机结构和飞行原理18-21
• 2.1.1 直升机物理结构18-19
• 2.1.2 控制输入量19-20
• 2.1.3 大桨挥舞现象20-21
• 2.2 小型无人直升机飞行控制系统21-22
• 2.3 飞行控制系统硬件介绍22-23
• 2.4 地面监测系统23-25
• 2.4.1 地面控制系统23-24
• 2.4.2 地面导航系统24-25
• 2.5 GPS 坐标系转换算法25-26
• 2.6 小型无人直升机数学模型26-29
• 2.6.1 直升机坐标系26-27
• 2.6.2 直升机刚体模型27-29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 基于多模态的PID 控制算法设计与实现30-42
• 3.1 经典PID 控制算法30-31
• 3.2 控制结构设计31-34
• 3.2.1 姿态PID 控制器31-32
• 3.2.2 速度PID 控制器32-33
• 3.2.3 位置PID 控制器33-34
• 3.3 直升机模态34-39
• 3.3.1 静止模态35
• 3.3.2 起飞模态35-36
• 3.3.3 巡航模态36-38
• 3.3.4 异常模态38-39
• 3.3.5 降落模态39
• 3.4 仿真实验分析39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 直升机飞行控制机载系统设计与实现42-56
• 4.1 飞行控制机载系统架构设计42-45
• 4.1.1 功能逻辑架构42-44
• 4.1.2 数据运行架构44-45
• 4.2 可调度性分析45-46
• 4.3 系统自检模块设计与实现46-47
• 4.4 故障检测与故障处理模块设计与实现47
• 4.5 指令解析模块的设计与实现47-49
• 4.6 控制率计算模块的设计与实现49-52
• 4.7 天地通信模块设计与实现52-54
• 4.8 本章小结54-56
• 5 系统测试与飞行实验56-66
• 5.1 飞行控制机载系统软件测试56-61
• 5.1.1 机载系统软件功能测试56-60
• 5.1.2 机载系统软件性能测试60-61
• 5.2 室外飞行实验验证61-64
• 5.2.1 直升机姿态控制实验62-63
• 5.2.2 直升机位置控制实验63-64
• 5.3 本章小结64-66
• 6 本文总结和展望66-68
• 6.1 本文总结66
• 6.2 未来工作展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 攻读学位期间发表的学术论文目录74-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 解永清;郑恩让;;带有微分-跟踪器的无模型自适应控制研究[J];电气自动化;2009年02期

2 曾丽兰;王道波;郭才根;黄向华;;无人驾驶直升机飞行控制技术综述[J];控制与决策;2006年04期

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4 武利强,林浩,韩京清;跟踪微分器滤波性能研究[J];系统仿真学报;2004年04期

5 侯鑫;李平;韩波;方舟;;小型无人直升机分层混杂控制系统[J];浙江大学学报(工学版);2009年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王三喜;微型无人直升机飞行控制系统软件仿真与系统设计研究[D];浙江大学;2004年

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本文编号：1063650