小型无人直升机建模和协调转弯控制研究

发布时间：2017-09-07 12:47

  本文关键词：小型无人直升机建模和协调转弯控制研究

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【摘要】：小型无人直升机(SUH)因为体积小、质量轻、成本低、隐蔽性好、零伤亡等优势,以及可垂直起降、低空、后飞、侧飞、悬停、协调转弯等特殊飞行的特点,在军事和民用领域具有极大的应用价值。而其高度非线性、强耦合、开环不稳定、时变等特点,给建模和飞行控制带来了巨大挑战。本文以“玉泉之翼”小型无人直升机为研究对象。搭建了飞行控制系统的硬件软件平台；建立了SUH的11阶模型,辨识得到其参数；提出了协调转弯的飞行控制策略,并实现了其自主协调转弯飞行；设计了基于H_∞回路成形理论的控制器,提高了内环跟踪性能。本文的主要工作及贡献如下：1)根据需求,搭建了一套适合SUH飞行控制的实验平台,包括硬件平台、软件平台和仿真平台。该平台具备足够的计算能力、强实时性、可靠和易于拓展等性能。2)对SUH产生力和力矩的关键五部分进行建模,综合得到其运动方程,线性小扰动方法得到其11阶状态空间方程。扫频实验得到数据,系统辨识得到其参数,并通过频域、时域验证所建模型的精确性。3)分析了协调转弯的动力学原理,提出了协调转弯的控制策略,设计了PID串级控制器。通过飞行实验,优化了参数,改进了控制方案,最后实现了完整的协调转弯飞行,实验飞行数据表明：协调转弯控制姿态稳定,速度误差在±0.5m/s以内,高度误差在±1.2m以内,XY位置误差在8%以内,水平曲线近似一个圆。验证了该方案工程可实现,控制器的可靠性和鲁棒性良好。4)基于H_∞回路成形理论,对SUH高阶模型设计了鲁棒H_∞内环控制器,并对设计好的16阶控制器进行了降维处理到7阶,最后通过不同前飞速度下的模型,来验证所设计控制器的鲁棒性。仿真实验表明：内环各个通道跟踪速度快、稳态误差小、超调量小,并可实现通道间的解耦,前飞速度为8rn/s时,该控制器仍然具备良好的控制作用。
【关键词】：小型无人直升机 系统辨识 PID串级控制 协调转弯控制 H_∞回路成形
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 无人直升机的发展和研究概况11-16
• 1.3 研究小型无人直升机的技术难点16-19
• 1.3.1 SUH的建模技术16-17
• 1.3.2 SUH的飞行控制技术17-19
• 1.4 论文主要内容和章节安排19-23
• 1.4.1 论文主要内容19-20
• 1.4.2 论文章节安排20-23
• 第二章 小型无人直升机的实验平台介绍23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 硬件平台23-29
• 2.2.1 机体介绍23-24
• 2.2.2 飞行控制计算机24-27
• 2.2.3 导航子系统27-28
• 2.2.4 飞行数据记录仪28-29
• 2.3 软件平台29-32
• 2.3.1 DSP端开发设计29-30
• 2.3.2 FPGA端开发设计30-31
• 2.3.3 地面监控子系统的软件开发31-32
• 2.4 仿真平台32
• 2.5 本章小结32-35
• 第三章 小型无人机的建模和参数辨识35-53
• 3.1 引言35
• 3.2 SUH相关的坐标系35-37
• 3.2.1 坐标系的定义35-36
• 3.2.2 姿态角和坐标系变换36-37
• 3.3 小型无人直升机的建模37-41
• 3.3.1 SUH的动力学方程37-38
• 3.3.2 主旋翼和稳定杆的挥舞建模38-39
• 3.3.3 SUH的综合运动方程39-41
• 3.4 SUH参数辨识41-51
• 3.4.1 引言41
• 3.4.2 系统辨识和参数调整41-44
• 3.4.3 模型的频域和时域验证44-51
• 3.4.4 悬停工作点简化模型51
• 3.5 本章小结51-53
• 第四章 基于PID串级控制的协调转弯控制策略53-73
• 4.1 引言53
• 4.2 协调转弯设计原理53-54
• 4.2.1 动力学分析53-54
• 4.2.2 协调转弯的设计难度54
• 4.3 控制器设计要求和方案54-56
• 4.3.1 控制器设计要求54-55
• 4.3.2 控制器总体框架介绍55-56
• 4.3.3 控制器设计方法和步骤56
• 4.4 控制器具体实现56-66
• 4.4.1 俯仰通道56-61
• 4.4.2 横滚通道61-62
• 4.4.3 偏航通道62-64
• 4.4.4 垂向通道64-66
• 4.5 实验结果分析和改进66-71
• 4.5.1 实验场景66
• 4.5.2 实验结果分析66-68
• 4.5.3 改进方案和最后结果68-71
• 4.6 本章小结71-73
• 第五章 H_∞回路成形控制器设计与仿真实验73-93
• 5.1 H_∞回路成形的理论介绍73-79
• 5.1.1 H_∞鲁棒控制问题73-76
• 5.1.2 回路成形理论76-78
• 5.1.3 H_∞回路成形的设计步骤78-79
• 5.2 小型无人直升机H_∞回路成形内环控制器的设计79-86
• 5.2.1 整体控制器的介绍79-80
• 5.2.2 SUH回路成形设计80-83
• 5.2.3 控制器的降阶处理83-86
• 5.3 仿真实验和控制器验证86-92
• 5.3.1 仿真实验86-89
• 5.3.2 控制器验证89-92
• 5.4 本章小结92-93
• 第六章 总结与展望93-95
• 6.1 论文总结93-94
• 6.2 研究展望94-95
• 参考文献95-99
• 作者简介99
• 作者攻读硕士期间完成的科研成果99

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