基于频域方法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

发布时间：2017-10-06 05:26

  本文关键词：基于频域方法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

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【摘要】：本文研究利用系统辨识方法为小型无人飞行器建模。建立精确的飞行器数学模式是进行飞行器控制系统设计的基础。系统辨识是建模的良好工具，适用于解决飞行器系统建模这类，对于所辨识模型的结构知道一部分，但有许多未知参数需要确定的问题。系统辨识方法是通过大量的实验，测量系统的输入输出之间的动态响应，从而确定系统数学模型的结构。相比传统的数值分析建模方法，对于系统结构信息需求量较小，无需进行大量繁琐而低精度的测量。相比通过风洞试验建模的方法，系统辨识实验所需的经济成本更低，对实验条件的要求更少。同时，系统辨识结果可以与风洞试验结果相互验证，得到更准确的系统模型。因此，系统辨识方法多用于飞行器建模。 然而对于小型无人飞行器来说，利用系统辨识方法建模不能完全照搬载人飞机的模型辨识经验。小型无人飞行器可搭载的设备有限，使得机载系统能采集到飞行姿态信息量受到限制，同时，也使系统辨识最优输入难以实现。 本文根据所针对的小型无人飞行器结构特点和对其建模的目的，选择合适的系统辨识方法。对时域、频域辨识方案，从适用范围、需求条件、可用工具、制约条件等方面进行对比，最终选择了频域方法进行辨识，并利用频率响应算法，得到合理的辨识准则。本文设计了针对小型无人飞行器系统辨识的飞行实验。该实验可以为系统辨识提供丰富的输入输出数据，能包含尽可能多的飞行器动态响应信息。本文设计了利用机载DSP为飞行器输入自动扫频信号的方法，，实现了系统辨识最优输入方案的设计。 利用实验数据，通过频率响应辨识和参数模型辨识，建立了飞行器横、纵两个通道的传递函数模型，和多组飞行器舵机与各姿态角速度、加速度之间一对一的频率响应模型，利用这些模型来分析飞行器的动态响应特性并进行飞行器姿态控制系统的设计。为了验证辨识模型的有效性，进行了模型的时域验证，并对模型的误差来源和模型对参数变化的敏感度进行分析。结果证明本文的系统辨识方法有良好的可行性和可信度。
【关键词】：小型无人飞行器 系统辨识 频率响应 扫频输入 模型验证
【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
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 图表目录9-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 选题背景及意义11-14
• 1.1.1 小型无人飞行器系统辨识意义11-12
• 1.1.2 研究背景12-14
• 1.2 飞行器系统辨识方法介绍14-17
• 1.2.1 系统辨识基本步骤14
• 1.2.2 飞行器系统辨识方法的选择14-15
• 1.2.3 频域系统辨识数据处理流程15-17
• 1.3 飞行器系统辨识研究状况17-18
• 1.4 本文研究的主要内容18-20
• 第2章 小型无人飞行器数学模型20-30
• 2.1 飞行器模型建立20-26
• 2.1.1 飞行器非线性动力学模型20-22
• 2.1.2 线性化纵向运动模型22-24
• 2.1.3 线性化横向运动模型24-26
• 2.2 频率响应系统辨识算法及准则26-29
• 2.2.1 飞行器系统频率响应辨识26-28
• 2.2.2 传递函数模型及状态空间模型的辨识28-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 飞行试验方案设计30-40
• 3.1 飞行数据需求30-33
• 3.1.1 最优输入设计30-32
• 3.1.2 验证实验输入设计32-33
• 3.1.3 对采集数据量的要求33
• 3.2 飞行实验数据采集硬件系统介绍33-37
• 3.2.1 数据采集系统组成33-36
• 3.2.2 数据采集系统工作流程36-37
• 3.3 飞行实验方案37-39
• 3.3.1 地面实验37-38
• 3.3.2 飞行实验38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 数据处理及辨识结果40-52
• 4.1 模型参数初始值40-42
• 4.1.1 纵向通道模型初值40
• 4.1.2 横向通道模型初值40-41
• 4.1.3 初始模型频率响应41-42
• 4.2 系统辨识数据预处理42-43
• 4.2.1 实验数据包解算42
• 4.2.2 数据平滑处理42-43
• 4.3 系统辨识结果43-51
• 4.3.1 纵向通道模型辨识结果43-48
• 4.3.2 横向通道辨识结果48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 辨识模型验证52-59
• 5.1 模型时域验证52-55
• 5.2 模型敏感度分析和残差分析55-58
• 5.2.1 模型敏感度55-56
• 5.2.2 残差分析56-58
• 5.3 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-65
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单65-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 段世忠,周荫清;应用遗传算法的频域最大似然参数辨识[J];北京航空航天大学学报;2001年05期

2 邹瑜;裴海龙;刘馨;周洪波;;飞机模型频域辨识方法——CIFER算法研究[J];电光与控制;2010年05期

3 程韶军,邓建华;使用频域极大似然法辨识飞机等效系统参数[J];航空学报;1999年01期

4 胡德文,万百五;系统辨识的最优输入设计(OID)综述[J];控制理论与应用;1989年03期

5 许能飞,曹云峰;系统辨识方法在微型飞行器建模中的应用[J];情报指挥控制系统与仿真技术;2005年01期

6 秦硕,朱凡;飞行器气动力参数辨识[J];自动化技术与应用;2004年01期

本文编号：980970