共轴双旋翼无人直升机建模与控制算法研究

发布时间：2017-10-27 05:21

  本文关键词：共轴双旋翼无人直升机建模与控制算法研究

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【摘要】：旋翼无人直升机在环境监测、农业机械化、地质勘查、物流和智能化军事等领域具有巨大的平台应用潜力。独特的悬停低速飞行能力使其在执行定点、精准和详查任务时比固定翼无人机更具优势。共轴双旋翼布局形式的无人直升机在长航时、高速度和重载荷需求时更具实用潜力,逐渐引起了国内外科研人员的研究热情和投入。国内共轴旋翼无人直升机存在研究起步晚、投入力度低和研究基础薄弱等问题,且现有共轴双旋翼直升机是从苏联整机引进。目前,国内该类机型在改造和升级中遇到了极大的技术难题,特别是在整机建模和飞行控制领域存在严重研究不足的情况。同类机型与国外研究相比存在巨大差距。因此,开展共轴双旋翼无人直升机建模和飞控算法的研究是极其迫切和必要的。本文依托“十二五规划”“国家高技术研究发展计划(863计划)”“重载荷智能化物探专用无人直升机研制”(2013AA063903),对共轴双旋翼无人直升机建模和控制算法展开了研究,为搭载、改造和升级提供理论和技术指导。为提高飞控系统处理非线性、强耦合和多不确定性共轴双旋翼无人直升机飞行稳定性提供理论和技术支撑,弥补共轴双旋翼无人直升机在整机建模和飞控算法研究中存在的不足;降低样机研制成本和缩短项目研制周期,为高速、高载荷和高机动复合式旋翼无人直升机提供技术储备。建模方面,国内外研究者主要集中在共轴双旋翼气动性能分析和优化设计,存在样机模型建模不完整和不系统的问题。同时双旋翼之间非线性、高不确定性和强耦合等空气动力学特性,增加了整机建模的难度。飞行控制算法方面,PID、鲁棒、自适应和神经网络等控制算法虽然已被成功应用于单旋翼直升机等飞行器,但缺少针对共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法的研究。共轴双旋翼无人直升机具有模型复杂度高、不确定性多和耦合性强等特点,造成了大多数飞行控制算法难以保证飞行鲁棒稳定性和高水平飞行性能。飞行控制系统工程化应用方面,不仅包括控制算法,而且还涵盖飞行控制策略、飞行控制结构和算法工程易实施性等问题。研究内容主要包括:(1)针对共轴双旋翼无人直升机缺乏整机建模的情况,采用模块化建模思想进行了系统化的样机建模。该方法涵盖了部件机理建模、动力学方程配平计算、非线性方程线性化和动态特性分析等共轴双旋翼无人直升机建模关键部分。以旋翼机设计经验参数为参考,设计了参数合理化校核流程,完成了整机建模,形成了基于模块化思想的系统化共轴双旋翼无人直升机建模方法。(2)针对非线性、高复杂度和高不确定性共轴双旋翼无人机直升机飞控算法研究不足的问题,提出了将H_∞回路成形算法应用于飞行控制器设计。基于奇异值响应和RGA(相对增益排列)原理,提出了一种共轴双旋翼无人直升机的飞行控制策略。推导了H_∞回路成形实现过程,完成了共轴双旋翼无人直升机飞行控制器的设计,仿真试验证明了闭环系统能在一定不确定性干扰下保证模型的鲁棒稳定性,同时具有良好的解耦和阶跃响应特性。(3)针对经典H_∞回路成形控制器阶数偏高和性能指标调节不灵活的问题,提出了基于线性矩阵不等式的低阶参数化H_∞回路成形控制算法,推导和证明了算法的稳定性条件。以姿态子模块为对象,与经典H_∞回路成形进行了仿真对比,验证了所提算法在减少控制器阶数和灵活设计性能指标的有效性。(4)针对多输入多输出共轴双旋翼无人直升机飞控系统工程化应用的问题,分析总结了典型无人直升机飞行控制结构,根据模型奇异值响应特性,提出了“串级双层三模块”的飞行控制结构。子模块采用经典H_∞回路成形、基于LMI的H_∞回路成形和本文所提算法,并分别进行仿真对比分析,进而与采用H_∞回路成形的全阶控制结构的阶跃响应进行了对比分析。在鲁棒稳定性、飞行性能指标和控制算法工程易实施性等综合考虑下,最终确定内层采用经典H_∞回路成形和外层采用所提算法的飞行控制系统。(5)飞行控制算法验证测试平台方面,通过实际组装、测试飞行单旋翼和四旋翼无人机,确定了四旋翼无人机为试验测试平台,以降低试验测试成本和风险。通过分析四旋翼无人机悬停下动态特性,证明了四旋翼测试平台具备测试飞行控制算法的能力。创新点:(1)基于模块化思想,系统化的建立了共轴双旋翼无人直升机整机动力学模型,涵盖了部件机理建模、动力学方程配平计算、非线性方程线性化和动态特性分析等关键部分。(2)将H_∞回路成形算法首先应用于共轴双旋翼无人直升机飞行控制,提高了飞控系统的鲁棒性。(3)提出了低阶参数化H_∞回路成形控制算法,有效减少了控制器阶数。(4)构建了串级双层三模块的共轴双旋翼无人直升机飞行控制系统结构,性能良好,降低了控制器工程实施复杂度。
【关键词】：旋翼无人机 共轴双旋翼 鲁棒控制 不确定性 线性矩阵不等式
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 研究背景14
• 1.2 研究现状14-23
• 1.2.1 国外研究现状14-16
• 1.2.2 国内研究现状16-19
• 1.2.3 建模研究现状19-21
• 1.2.4 控制算法研究现状21-23
• 1.3 理论基础23-25
• 1.3.1 建模基本理论23-24
• 1.3.2 控制基本理论24-25
• 1.4 研究内容25-26
• 1.5 本章小结26-28
• 第2章 共轴双旋翼无人直升机数学建模28-50
• 2.1 建模28-33
• 2.2 参数设计及校核计算33-38
• 2.2.1 参数设计33-35
• 2.2.2 校核计算35-37
• 2.2.3 分析对比37-38
• 2.3 动力学方程配平计算38-41
• 2.4 线性化和特性分析41-48
• 2.4.1 线性化41-45
• 2.4.2 稳定性和奇异值响应分析45-48
• 2.5 本章小结48-50
• 第3章 基于H_∞ 回路成形共轴双旋翼无人直升机控制率设计50-64
• 3.1 理论基础50-53
• 3.1.1 鲁棒飞行控制算法总结50-51
• 3.1.2 H_∞ 回路成形理论基础51-53
• 3.2 仿真性能分析53-62
• 3.2.1 控制策略设计53-55
• 3.2.2 加权矩阵系数选择总结55-56
• 3.2.3 仿真结果分析56-62
• 3.3 本章小结62-64
• 第4章 低阶参数化H_∞ 回路成形控制率研究64-72
• 4.1 理论基础64-65
• 4.2 低阶参数化H_∞ 回路成形控制65-67
• 4.3 仿真结果分析67-70
• 4.4 本章小结70-72
• 第5章 共轴双旋翼无人直升机串级多回路控制结构设计72-82
• 5.1 共轴双旋翼无人直升机飞行控制结构设计72-75
• 5.1.1 无人直升机典型控制系统72-74
• 5.1.2 共轴双旋翼无人直升机结构设计74-75
• 5.2 子模块控制器设计与分析75-80
• 5.2.1 速度子系统控制器设计76-77
• 5.2.2 高度和航向子模块77-78
• 5.2.3 仿真结果分析78-80
• 5.3 本章小结80-82
• 第6章 控制算法飞行试验平台的研究82-92
• 6.1 样机研制82-84
• 6.2 算法验证飞行平台筛选84-87
• 6.2.1 单旋翼飞行平台84-86
• 6.2.2 四旋翼飞行平台86-87
• 6.3 四旋翼无人机飞行平台的建模与飞行测试87-91
• 6.3.1 机理建模87-90
• 6.3.2 飞行测试90-91
• 6.4 本章小结91-92
• 第7章 结论92-94
• 7.1 主要内容及总结92-93
• 7.2 今后待研究问题93-94
• 参考文献94-102
• 作者简介及就读期间取得科研成果102-104
• 攻读学位期间参与的科研项目104-106
• 致谢106

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本文编号：1102093