小型無人直升機動態(tài)分析與非線性控制研究.pdf

1、小型無人直升機具有獨特的空中懸停、垂直起降、超低空以及大機動飛行的能力，還具備體積小、重量輕、成本低、隱蔽性強等優(yōu)點，因此它在軍事偵察、搜索救援、空中航拍以及建筑測繪等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，小型無人直升機是一種較復(fù)雜而特殊的控制對象，其動態(tài)模型具有多輸入多輸出、強耦合、時變、非線性、欠驅(qū)動、靜不穩(wěn)定的特性，實現(xiàn)其自主飛行控制比較困難。因此，研究小型無人直升機的自主飛行控制具有重要的理論和實際意義。
　　本文主要在

2、詳細分析小型無人直升機動態(tài)模型基礎(chǔ)上，對小型無人直升機飛行控制問題進行了研究。基于亞拓TREX450小型電動直升機，設(shè)計并構(gòu)建了小型無人直升機姿態(tài)控制實驗平臺，同時提供了一個飛行姿態(tài)控制算法驗證平臺。針對無人直升機動態(tài)模型中存在的非線性、強耦合、欠驅(qū)動、參數(shù)不確定性以及外部擾動等問題，提出了三種非線性飛行控制策略，并且應(yīng)用基于Lyapunov理論的分析方法證明所提出的控制設(shè)計能夠使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定跟蹤期望軌跡，并保證閉環(huán)系統(tǒng)信號的有界性。此

3、外，通過MATLAB/Simulink數(shù)值仿真，驗證本論文所提出控制算法具有良好的預(yù)設(shè)軌跡跟蹤能力，以及對模型參數(shù)攝動或者外界擾動具有良好的魯棒性。具體而言，本文研究工作主要包括以下幾個方面：
　　首先，參考小型無人直升機建模方面已經(jīng)取得的研究成果，詳細闡述了小型無人直升機非線性動態(tài)模型。模型推導(dǎo)采用分模塊構(gòu)建的方法，主要包括機體運動學(xué)模型、機體動力學(xué)模型、力和力矩模型、主旋翼揮舞動力學(xué)模型等。通過對每部分的詳細分析，得到較為完整

4、的小型無人直升機非線性參數(shù)化模型。
　　第二，以小型電動直升機作為被控對象，設(shè)計構(gòu)建了姿態(tài)控制實驗平臺。在對小型電動直升機的電子控制式差分螺距混合控制結(jié)構(gòu)的傾斜盤驅(qū)動舵機分通道解耦的基礎(chǔ)上，使用防止舵機飽和的不完全微分PID增量式控制算法實現(xiàn)了無人直升機的飛行姿態(tài)控制，通過飛行試驗對實驗平臺和控制算法進行驗證。
　　第三，在分析小型無人直升機位置和姿態(tài)動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用反步自適應(yīng)方法設(shè)計了飛行軌跡跟蹤控制器。為了便于控制

5、器設(shè)計，將無人直升機動力學(xué)模型拆分為高度、航向、平動三個子系統(tǒng)。針對模型質(zhì)量和慣性矩陣的參數(shù)不確定性，使用自適應(yīng)更新律對未知參數(shù)進行在線估計，解決了模型存在參數(shù)不確定性的問題?；贚yapunov穩(wěn)定性理論，從理論上證明了閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。
　　第四，基于包含主旋翼揮舞動力學(xué)特性以及外部擾動的一類小型無人直升機動態(tài)模型，設(shè)計了一種新的滑?？刂破?，控制目標為跟蹤預(yù)先設(shè)定的時變速度以及航向角參考軌跡。為了便于控制器設(shè)計，將非線

6、性模型在平衡點線性化后拆分為縱向側(cè)向子系統(tǒng)以及航向高度子系統(tǒng)?？刂破髟O(shè)計采用滑?？刂品椒ㄒ匝a償不可測的揮舞角動態(tài)效應(yīng)以及外部擾動的影響。基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，從理論上證明了閉環(huán)系統(tǒng)的全局指數(shù)穩(wěn)定性。
　　第五，結(jié)合近似反饋線性化方法和滑?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計了一種小型無人直升機的非線性魯棒控制器，控制目標為跟蹤預(yù)先設(shè)定的時變位置以及航向角參考軌跡?；诤雎粤εc力矩耦合的非線性模型設(shè)計近似反饋線性化控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦，并使用