小型无人直升机飞行控制系统及其试验台的研究

发布时间：2017-09-12 03:39

  本文关键词：小型无人直升机飞行控制系统及其试验台的研究

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【摘要】：无人直升机垂直起降、定点悬停等独特的飞行能力使其在各领域都具有无可替代的位置。小型无人直升机除具有直升机非线性、强耦合、自不稳定等显著特点外，还具有自身的特点，如主旋翼转速高、大部分带有贝尔稳定杆、更差的稳定性与更强的灵敏性等。由于小型无人直升机的低成本、体积小等特点，使其更加贴近我们的生活，更多被选为研究对象。 小型无人直升机的自主飞行设计大致包含仿真、半物理仿真、试飞三个阶段。本文涉及其中的前两个部分。仿真阶段文中以一款样例小型无人直升机为研究对象，结合机理建模与辨识建模的方法，分模块搭建了该小型无人直升机的Simulink模型。针对小型无人直升机各组成部分的特点，本文将直升机的飞行控制系统分为快速模态控制、中速模态控制与低速模态控制三个部分。其中，快速模态与中速模态部分应用滑模变结构控制方法，低速模态部分应用一种针对二次积分模型的基于轨迹跟踪的控制方法（MTC）。仿真验证表明，本文设计的这种混合飞行控制系统较PID控制器有明显的性能改善。半物理仿真阶段本文设计了一种小型无人直升机半物理仿真试验台。试验台包含有针对小型无人直升机的姿态模拟、地面效应模拟和侧风模拟。试验台采用新的模拟方法，可实现小型无人直升机在试验台上的真实打桨飞行，并通过试验台与上位机的数据传输获得直升机的实时运行信息。 本文针对设计的飞行控制系统制定了多个环节的仿真验证方案，，结果表明其性能的优越性及理论上的可行性。在半物理仿真试验台部分，文中完成了对其的设计、选材及预算工作。这些都为今后实验室小型无人直升机自主飞行的研究提供参考与帮助。
【关键词】：小型无人直升机 Simulink模型 滑模变结构控制 MTC 半物理仿真试验台
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 课题研究目的和意义10-12
• 1.3 课题的国内外研究现状及发展趋势12-17
• 1.3.1 无人直升机飞行控制方法研究现状及发展趋势12-14
• 1.3.2 无人直升机试验台研究现状及发展趋势14-17
• 1.4 本文的主要研究内容及结构安排17-19
• 第二章 直升机动力学模型19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 坐标系19-20
• 2.2.1 地面坐标系20
• 2.2.2 机体坐标系20
• 2.3 小型无人直升机建模20-24
• 2.3.1 主旋翼力和力矩方程21-22
• 2.3.2 尾桨力和力矩方程22-23
• 2.3.3 机身、垂尾、平尾力和力矩方程23
• 2.3.4 直升机刚体运动方程23-24
• 2.4 直升机模型配平及线性化24-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 直升机飞行控制系统设计28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 姿态环滑模控制器的设计28-34
• 3.2.1 快速模态滑模控制器29-30
• 3.2.2 中速模态滑模姿态控制器30-32
• 3.2.3 直升机偏航角 PID 控制器32
• 3.2.4 减小偏航通道与横纵向通道耦合的控制32-34
• 3.3 速度环滑模控制器的设计34-36
• 3.4 位置环 MTC 算法控制器的设计36-38
• 3.5 基于卡尔曼滤波的直升机系统状态估计器设计38-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 仿真及验证44-61
• 4.1 引言44
• 4.2 基于滑模控制器的飞控系统与 PID 控制器的飞控系统性能比较实验44-50
• 4.3 侧风比较实验50-52
• 4.3.1 悬停侧风比较50-51
• 4.3.2 前飞侧风比较51-52
• 4.4 简单任务仿真实验52-57
• 4.4.1 直线段任务方案52-55
• 4.4.2 协调转弯任务方案55-57
• 4.5 VR 视景仿真57-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 小型无人直升机试验台61-74
• 5.1 引言61-63
• 5.2 试验台安装平台63-64
• 5.3 数据采集系统64-66
• 5.4 三自由度运动平台66-70
• 5.5 地面效应模拟装置与侧风模拟装置70-72
• 5.6 试验台最终成果及指标72-73
• 5.6.1 试验台最终成果72
• 5.6.2 试验台主要指标72-73
• 5.7 本章小结73-74
• 总结与展望74-77
• 1 本文的主要研究内容与贡献74-76
• 2 需要进一步的研究工作76-77
• 参考文献77-81
• 附录81-82
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单82-83
• 致谢83

【参考文献】

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本文编号：834894