小型无人直升机的电子增稳系统设计

发布时间：2017-10-28 13:34

  本文关键词：小型无人直升机的电子增稳系统设计

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【摘要】：小型无人直升机需要增稳措施来提高其易操控性和抗干扰性,与采用希勒伺服旋翼和锁尾陀螺仪的增稳方案相比,采用电子增稳系统可以免除机械希勒翼从而简化旋翼头结构,有效减少直升机的机械故障、维护成本与动力耗损。本文围绕电子增稳系统的设计展开研究。首先对小型直升机进行机理建模,通过简化模型得到便于分析的直升机运动方程、主旋翼与希勒翼的挥舞运动方程等数学模型,为电子增稳系统的设计提供依据。然后定性分析了贝尔-希勒系统与锁尾陀螺仪的工作原理,并对电子增稳系统的设计提出要求。电子增稳系统可以分为偏航控制器与滚转-俯仰控制器。偏航控制器基本算法为PI控制,但常规PI控制不能同时实现突变和缓变给定角速度的良好跟踪,针对该问题提出了三种优化算法:(1)增益调度PI控制算法、(2)改进的积分限幅算法以及(3)为给定信号安排过渡过程的算法,并通过仿真验证了后两种算法的有效性。采用偏航通道的模型,通过仿真验证了在PID参数整定方面简单有效的IMC-PID控制器设计方法。滚转-俯仰控制器又分为角速度控制模式与姿态控制模式。设计了基于贝尔-希勒系统模型的滚转-俯仰角速度控制器,通过仿真探究了其各参数的作用,与常规PI控制器的仿真对比突出了贝尔-希勒型控制器更好的瞬态响应性能。进行了互补滤波姿态解算算法的推导,设计了PD姿态控制器。最后介绍了本文实验平台的组成,并对实验数据进行分析,提出仍可改进的地方。实验数据验证了本文电子增稳系统算法的有效性,所设计的电子增稳系统算法丰富了实验室的飞控系统,优化了小型无人直升机平台。
【关键词】：小型无人直升机 电子增稳系统 锁尾陀螺仪 无副翼系统
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 增稳系统的研究现状12-14
• 1.2.1 贝尔-希勒系统建模的研究现状12-13
• 1.2.2 电子增稳系统的研究现状13-14
• 1.3 主要内容及论文结构14-15
• 1.4 课题来源15-16
• 第二章 小型直升机的建模研究16-39
• 2.1 基本数学概念16-21
• 2.1.1 坐标系定义16
• 2.1.2 旋转变换阵16-17
• 2.1.3 欧拉角17-19
• 2.1.4 四元数19-21
• 2.2 直升机操控方法21
• 2.3 直升机基本运动方程21-24
• 2.4 小型直升机的气动力学建模24-37
• 2.4.1 诱导速度24-25
• 2.4.2 叶素原理25-27
• 2.4.3 主旋翼建模27-31
• 2.4.3.1 主旋翼结构及控制输入27-28
• 2.4.3.2 主旋翼的挥舞运动学28-31
• 2.4.4 贝尔-希勒系统建模31-35
• 2.4.4.1 贝尔系统建模31-32
• 2.4.4.2 希勒系统建模32-34
• 2.4.4.3 贝尔-希勒系统模型整合34-35
• 2.4.5 旋翼的气动力和气动力矩35-37
• 2.5 时延因素37-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第三章 电子增稳系统的需求分析39-43
• 3.1 传统增稳系统的功能39-40
• 3.2 电子增稳系统40-41
• 3.3 电子增稳系统要求分析41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 偏航控制器设计43-59
• 4.1 偏航通道系统辨识44-46
• 4.2 锁尾模式算法46-49
• 4.2.1 现场调试法进行参数整定48-49
• 4.3 锁尾模式的优化算法49-56
• 4.3.1 增益调度PI控制49-51
• 4.3.2 改进的积分限幅算法51-54
• 4.3.3 为给定信号安排过渡过程54-56
• 4.4 IMC-PID算法仿真56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 滚转-俯仰控制器设计59-78
• 5.1 滚转-俯仰通道系统辨识59-62
• 5.2 角速度控制算法62-70
• 5.2.1 贝尔-希勒型控制器62-64
• 5.2.2 贝尔-希勒型控制器参数的作用64-67
• 5.2.3 贝尔-希勒型控制器与PI控制器的对比67-69
• 5.2.4 贝尔-希勒型控制器参数预整定69-70
• 5.3 姿态控制算法70-77
• 5.3.1 姿态控制中的姿态的获取70-75
• 5.3.2 完整控制量的计算75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 实验平台的搭建与实验结果78-92
• 6.1 实验平台的搭建78-84
• 6.1.1 实验直升机的选择79-80
• 6.1.2 实验平台的设计80-81
• 6.1.3 实验平台硬件介绍81-83
• 6.1.4 实验平台软件介绍83
• 6.1.5 其他相关功能83-84
• 6.2 实验结果84-91
• 6.2.1 偏航锁尾模式实验结果84-88
• 6.2.2 滚转-俯仰角速度控制器实验结果88-90
• 6.2.3 滚转-俯仰姿态控制器实验结果90-91
• 6.3 本章小结91-92
• 结论92-95
• 参考文献95-98
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果98-99
• 致谢99-100
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见100

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本文编号：1108492