三自由度直升机系统设计及控制方法研究

发布时间：2017-11-10 08:22

  本文关键词：三自由度直升机系统设计及控制方法研究

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【摘要】：随着直升机在军、民多领域越来越广泛的应用,相应的飞行器控制理论也日益受到国内外研究者的重视。但直升机本身具有成本高、实验代价大的特性,基于安全、经济等方面的考虑,可将其简化为模型进行飞行仿真,为飞行器理论和技术的研究提供更为便捷的途径。三自由度直升机就是一种模拟直升机运动的仿真模型,它具有多输入多输出、耦合性、非线性等特点。该模型可方便地实现对飞行器控制理论与算法的半实物仿真验证。本文搭建了一种三自由度直升机实验平台,构建了其机械结构和嵌入式控制系统,设计了PID控制器对三自由度直升机的俯仰轴、横侧轴和旋转轴的姿态和速度进行控制,探索了神经网络自适应控制器在三自由度直升机的俯仰轴控制上的应用,主要研究内容有：(1)首先制订了三自由度直升机的总体技术方案,采用模块化设计思想对基座、旋转轴、俯仰轴、横侧轴等部分进行设计。介绍了三自由度直升机的加工与集成调试过程,然后基于测试与计算结果分别对系统的俯仰轴、横侧轴、旋转轴三个轴进行数学建模。(2)构建了三自由度直升机的嵌入式电控系统,主要包括数据采集模块、通讯模块、电机控制模块、下位机及上位机。数据采集模块的传感器包含增量式编码器以及MPU6050上集成的陀螺仪与加速度计传感器,可以实现三自由度直升机的旋转轴、俯仰轴和横侧轴的数据采集。基于串口通信设计了控制芯片与上位机之间的通信协议。同时研究实现了系统中直流电机的PWM控制。(3)基于VC++平台设计了上位机检测与控制软件,上位机通过串口通讯采集三自由度直升机各轴的姿态和速度,上位机软件集成了多种控制功能,包括启动、停止、设置直升机姿态、调试控制算法的参数等。在上位机软件上还可以以两种方式实时显示俯仰角、横侧角与旋转速度,分别可观察控制的整体效果以及一段时间的控制状态。(4)研究了俯仰轴、横侧轴和旋转轴的PID控制算法,并使用MATLAB对输入为阶跃信号的系统进行了仿真,得到仿真结果,并在三自由度直升机实验平台上对其进行三轴联动的验证,结果表明系统基本得到控制。(5)最后研究了神经网络自适应控制算法的原理与结构,设计了三自由度直升机俯仰轴系统的神经网络自适应控制器,并进行了实验验证。通过与PID控制器的结构进行对比,发现：虽然PID控制器能基本实现俯仰轴系统的控制,但控制过程中存在不断增大的稳态误差、且响应速度较慢,而所设计的神经网络自适应控制器改进了控制效果,降低了稳态误差,且精确性与快速性也都有所提高。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V275.1;V249

【参考文献】

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本文编号：1165832