小型无人直升机的鲁棒飞行控制技术
发布时间：2021-04-09 01:42
小型无人直升机是一种能够实现垂直起降、空中悬停、侧飞和倒飞等功能的旋翼飞行器,相比于固定翼无人机,其在执行飞行任务的过程中具备更好的机动性和更大的灵活性,能够用于空中侦察、森林火灾监控、水上运输、农业喷洒以及地面测绘等领域,具有广泛的应用前景。因此,针对小型无人直升机的飞行控制问题成为了飞控领域的热点问题之一。论文围绕小型无人直升机的鲁棒控制问题展开研究,建立了小型无人直升机的数学模型,并研究了小型无人直升机存在建模误差和外界干扰等因素影响下的鲁棒飞行控制问题。论文主要研究内容如下:首先,分析了小型无人直升机机体各部件的受力情况,根据机理建模方法建立了无人直升机的非线性动力学模型。为方便控制器设计,对所建立的非线性动力学模型进行简化处理,分别得到小型无人直升机的线性模型和非线性简化模型。其次,研究了基于干扰观测器和鲁棒伺服LQR的小型无人直升机优化控制。首先分析了小型无人直升机的耦合特性,在此基础上,基于小扰动原理得到了解耦后的无人直升机线性模型。在原有LQR理论的基础上,引入输入信号的偏差积分量,采用伺服LQR方法设计控制器。同时,考虑无人直升机系统受到干扰作用影响,引入线性干扰观测...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“X-cell60”小型无人直升机
南京航空航天大学硕士学位论文(2) 乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology, GIT)为促进无人直升机技术的发展，国际技术委员会于 1994 年提出举办空中机器人大赛，而第一届举办地就是在乔治亚理工学院。GIT 不仅是空中机器人大赛的发源地，同时 GIT 也是众多小型无人直升机研究机构中佼佼者。如：GIT 研究小组开发的“GTMax”无人直升机平台，可以实现在复杂的 3D 图形环境下小型无人直升机基于视觉的自主飞行功能[7]。图 1.2 (a)所示为 2007 年 GIT 参加国际空中机器人大赛所用的“GTMax”无人直升机，它能够进入未知的建筑内部，通过视觉定位完成自主飞行，并将内部环境图像发送到外部设备。2009 年GIT 研究小组在“GTMax”直升机平台的基础上，开发了“GTQ”无人直升机，如图 1.2(b)所示，相比于“GTMax”无人直升机，其最大的特色在于它是一款四旋翼小型无人直升机，飞行更加稳定。毫无疑问，不管是国际空中机器人大赛的举办还是 GIT 研究小组自身的研究对小型无人直升机的发展作出了巨大的贡献。
(a)前翻滚飞行 (c)对尾圆周运动(b)横翻滚飞行 (d)对头圆周运动图 1.3 小型无人直升机特技飞行展示(4) 南洋理工大学(NUS)随着无人直升机研究热度的不断提高，越来越多的学校与研究机构加入此项研究中，其中南洋理工大学是其中之一。2003 年，陈本美教授提出采用频域辨识方法来获取小型无人直升机系统参数，同时模拟直升机的飞行环境，得到直升机的动态飞行特性，经过多年的研究获得了高精度的无人直升机仿真模型[9]。在此基础上，研究小组将H 方法应用于小型无人直升机的轨迹跟踪控制器设计，仿真与实际飞行效果验证了上述辨识模型的准确性与控制器的有效性。近年来，该小组也已成功开发了多款直升机飞控系统。图 1.4 (a)为“BabyLion”小型无人直升机，该直升机可以实现自主起飞、悬停、轨迹跟踪和自主避障功能，图 1.4(b)为“FeiLion”小型无人直升机，该直升机可以实现在室内环境下的自主导航飞行和自主避障功能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一类量化非线性系统的指令滤波反推控制器设计及其在车辆悬挂系统中的应用[J]. 庄翩,於鑫. 中国科技论文. 2017(08)
[2]基于粒子群优化的核极限学习机模型的风电功率区间预测方法[J]. 杨锡运,关文渊,刘玉奇,肖运启. 中国电机工程学报. 2015(S1)
[3]基于PSO自整定PID控制器的柔性臂振动控制[J]. 曹青松,洪芸芸,周继惠,王辉. 振动.测试与诊断. 2014(06)
[4]状态受限的小小型型无人直升机轨迹跟踪控制[J]. 周洪波,裴海龙,贺跃帮,孙太任. 控制理论与应用. 2012(06)
[5]网络控制系统研究综述与展望[J]. 芮万智,江汉红,侯重远. 信息与控制. 2012(01)
[6]无人机遥控驾驶关键技术研究与飞行品质分析[J]. 丁团结,方威,王锋. 飞行力学. 2011(02)
[7]无人机飞行控制方法研究现状与发展[J]. 李一波,李振,张晓东. 飞行力学. 2011(02)
[8]采用LQR方法的纵列式直升机悬停控制与仿真[J]. 张文明,代冀阳,吴剑. 微计算机信息. 2010(25)
[9]基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波及其在旋翼飞行机器人容错控制的应用[J]. 齐俊桐,韩建达. 机械工程学报. 2009(04)
[10]基于LQR的直升机悬停控制律设计与仿真[J]. 刘勇,王新民,余翔. 计算机测量与控制. 2008(05)
博士论文
[1]小型无人直升机的建模与控制器设计[D]. 周洪波.华南理工大学 2011
[2]网络控制系统的稳定性分析及量化控制研究[D]. 田恩刚.东华大学 2008
[3]超小型无人直升机飞控系统及自主滞空飞行的研究[D]. 高同跃.上海大学 2008
硕士论文
[1]基于自抗扰控制的小型无人直升机高度控制的研究与应用[D]. 郑立强.华南理工大学 2016
[2]基于OpenGL的飞行视景仿真研究[D]. 张丹.北京邮电大学 2010
[3]多目标优化的粒子群算法及其应用研究[D]. 陈绍新.大连理工大学 2007
[4]基于OpenGL的导弹飞行视景仿真研究[D]. 邵宇.哈尔滨工程大学 2007
[5]倒立摆系统LQR—模糊控制算法研究[D]. 宋西蒙.西安电子科技大学 2006
[6]小型无人直升机飞行控制系统研究[D]. 王德宇.国防科学技术大学 2005
本文编号：3126667
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“X-cell60”小型无人直升机
南京航空航天大学硕士学位论文(2) 乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology, GIT)为促进无人直升机技术的发展，国际技术委员会于 1994 年提出举办空中机器人大赛，而第一届举办地就是在乔治亚理工学院。GIT 不仅是空中机器人大赛的发源地，同时 GIT 也是众多小型无人直升机研究机构中佼佼者。如：GIT 研究小组开发的“GTMax”无人直升机平台，可以实现在复杂的 3D 图形环境下小型无人直升机基于视觉的自主飞行功能[7]。图 1.2 (a)所示为 2007 年 GIT 参加国际空中机器人大赛所用的“GTMax”无人直升机，它能够进入未知的建筑内部，通过视觉定位完成自主飞行，并将内部环境图像发送到外部设备。2009 年GIT 研究小组在“GTMax”直升机平台的基础上，开发了“GTQ”无人直升机，如图 1.2(b)所示，相比于“GTMax”无人直升机，其最大的特色在于它是一款四旋翼小型无人直升机，飞行更加稳定。毫无疑问，不管是国际空中机器人大赛的举办还是 GIT 研究小组自身的研究对小型无人直升机的发展作出了巨大的贡献。
(a)前翻滚飞行 (c)对尾圆周运动(b)横翻滚飞行 (d)对头圆周运动图 1.3 小型无人直升机特技飞行展示(4) 南洋理工大学(NUS)随着无人直升机研究热度的不断提高，越来越多的学校与研究机构加入此项研究中，其中南洋理工大学是其中之一。2003 年，陈本美教授提出采用频域辨识方法来获取小型无人直升机系统参数，同时模拟直升机的飞行环境，得到直升机的动态飞行特性，经过多年的研究获得了高精度的无人直升机仿真模型[9]。在此基础上，研究小组将H 方法应用于小型无人直升机的轨迹跟踪控制器设计，仿真与实际飞行效果验证了上述辨识模型的准确性与控制器的有效性。近年来，该小组也已成功开发了多款直升机飞控系统。图 1.4 (a)为“BabyLion”小型无人直升机，该直升机可以实现自主起飞、悬停、轨迹跟踪和自主避障功能，图 1.4(b)为“FeiLion”小型无人直升机，该直升机可以实现在室内环境下的自主导航飞行和自主避障功能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一类量化非线性系统的指令滤波反推控制器设计及其在车辆悬挂系统中的应用[J]. 庄翩,於鑫. 中国科技论文. 2017(08)
[2]基于粒子群优化的核极限学习机模型的风电功率区间预测方法[J]. 杨锡运,关文渊,刘玉奇,肖运启. 中国电机工程学报. 2015(S1)
[3]基于PSO自整定PID控制器的柔性臂振动控制[J]. 曹青松,洪芸芸,周继惠,王辉. 振动.测试与诊断. 2014(06)
[4]状态受限的小小型型无人直升机轨迹跟踪控制[J]. 周洪波,裴海龙,贺跃帮,孙太任. 控制理论与应用. 2012(06)
[5]网络控制系统研究综述与展望[J]. 芮万智,江汉红,侯重远. 信息与控制. 2012(01)
[6]无人机遥控驾驶关键技术研究与飞行品质分析[J]. 丁团结,方威,王锋. 飞行力学. 2011(02)
[7]无人机飞行控制方法研究现状与发展[J]. 李一波,李振,张晓东. 飞行力学. 2011(02)
[8]采用LQR方法的纵列式直升机悬停控制与仿真[J]. 张文明,代冀阳,吴剑. 微计算机信息. 2010(25)
[9]基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波及其在旋翼飞行机器人容错控制的应用[J]. 齐俊桐,韩建达. 机械工程学报. 2009(04)
[10]基于LQR的直升机悬停控制律设计与仿真[J]. 刘勇,王新民,余翔. 计算机测量与控制. 2008(05)
博士论文
[1]小型无人直升机的建模与控制器设计[D]. 周洪波.华南理工大学 2011
[2]网络控制系统的稳定性分析及量化控制研究[D]. 田恩刚.东华大学 2008
[3]超小型无人直升机飞控系统及自主滞空飞行的研究[D]. 高同跃.上海大学 2008
硕士论文
[1]基于自抗扰控制的小型无人直升机高度控制的研究与应用[D]. 郑立强.华南理工大学 2016
[2]基于OpenGL的飞行视景仿真研究[D]. 张丹.北京邮电大学 2010
[3]多目标优化的粒子群算法及其应用研究[D]. 陈绍新.大连理工大学 2007
[4]基于OpenGL的导弹飞行视景仿真研究[D]. 邵宇.哈尔滨工程大学 2007
[5]倒立摆系统LQR—模糊控制算法研究[D]. 宋西蒙.西安电子科技大学 2006
[6]小型无人直升机飞行控制系统研究[D]. 王德宇.国防科学技术大学 2005
本文编号：3126667
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