小型無人直升機非線性建模與控制研究.pdf

1、小型無人直升機因其可以懸停、垂直起降、側飛、后退、低空、避障機動等特殊飛行的突出特點，以及小而輕、隱蔽廉價的優(yōu)勢，無論在軍用還是民用領域都有廣闊的應用前景。小型無人直升機是個強耦合、靜不穩(wěn)、欠驅動、高階多變量的時變非線性系統(tǒng)，因此研究小型無人直升機動力學及其飛行控制技術是一個重大的挑戰(zhàn)。無人直升機的飛控技術作為國防尖端技術，一直面臨西方國家的技術封鎖。目前，國外的飛控技術已經解決了中高速自主飛行的問題，個別實現了翻滾等超機動自主飛行。而

2、國內在該領域的研究與國外相比仍有較大的差距，基本停留在中低速自主飛行的水平上。而研究水平的落后并不僅僅因為飛控研究本身的滯后，還因為缺少一個足以描述中高速運動乃至超機動飛行的可靠非線性模型。因此，研究小型無人直升機的非線性運動建模和中高速飛控技術具有重要的理論意義和應用價值。
　　本文借鑒前人的研究工作，綜合理論分析和飛行實驗，以某型小型無人直升機平臺為依托，對常規(guī)構型小型無人直升機的建模與控制的理論、方法進行了研究，提出了一整套

3、非線性建模、模型參數確定和覆蓋中高速段的前飛巡航控制的理論思想和方法流程，基本解決了小型無人直升機中高速飛控的難題。本文主要的工作內容和創(chuàng)新貢獻如下:
　　1)對國內外無人直升機研究現狀進行了綜述和總結，重點對兩大關鍵技術建模與飛控的研究現狀、存在問題和發(fā)展方向進行了詳細論述和分析。
　　2)通過參考全尺寸載人直升機理論以及分析小型無人直升機特殊結構，用機理分析的方法建立了一個小型無人直升機全狀態(tài)非線性數學模型。該模型充分考

4、慮了常規(guī)飛行模式下影響建模精確度的槳根槳尖升力損失、高頻揮舞動態(tài)、下洗氣流對其他部件的干擾等主要動態(tài)細節(jié)，其建模復雜度可以滿足飛行仿真、控制器設計等應用的需求。
　　3)借鑒文獻中的方法，結合當前的實驗條件，提出了一整套簡單易行的方法，逐一確定了全狀態(tài)非線性數學模型中諸如主槳升力曲線斜率、機身轉動慣量等物理參數的值。將參數值確定后的非線性模型，與實際飛行數據分別就時域響應和頻域響應進行了比較，證明該模型具有很高的精確度。
　

5、　4)用得到的高精度的全狀態(tài)非線性模型，設計近懸停飛行控制器，實現懸停和自主降落控制。先將這個非線性模型用Simulink搭建仿真對象模型，并應用小干擾線性化技術得到了懸停工作點的14階線性模型。以該懸停模型為基礎，通過等效降階、橫縱向解耦等簡化近似技術，用頻域控制方法設計了一個串級懸停控制器，并成功實現了懸停飛行實驗。進一步，以此懸?？刂破髯鳛榈讓舆\動控制律，根據多種傳感器的優(yōu)缺點設計了一種多傳感器組合的無人直升機自主降落控制策略，并

6、成功實現了自主降落飛行。
　　5)提出了相位補償動態(tài)逆控制方法，結合混合指標魯棒控制器用以實現小型無人直升機中高速巡航的非線性控制，并改善了機動控制性能。由于直升機存在強非線性，近懸?？刂破麟y以應用于中高速飛行。提出線性參數時變(LPV)動態(tài)逆方法，由非線性模型導出LPV動態(tài)逆，從而實現對覆蓋近懸停、低速和中高速的巡航動態(tài)的反饋線性化。中高速巡航時，加減速過程往往需要姿態(tài)角快速變化，而以往文獻中通常忽略不可測的揮舞動態(tài)，以簡化動態(tài)

7、逆的設計，這使得控制器對高頻姿態(tài)的跟蹤性能很差，為此本文根據揮舞模型設計了相位超前補償器。仿真表明，補償器使閉環(huán)系統(tǒng)具有對高頻姿態(tài)角的跟蹤能力。
　　為了解決外部擾動問題以及參數估計誤差造成的模型攝動問題，本文設計了一個D穩(wěn)定H2/H∞混合魯棒控制器來控制由相位補償動態(tài)逆反饋線性化得到的廣義對象。該控制器與PID控制器進行了仿真對比，仿真表明兩種方法均能實現包含中高速段的非線性巡航控制，但是該控制器整定過程不需要經驗調參，對模型不

8、確定性魯棒性也更好。
　　6)提出將旋翼揮舞相位滯后視為純滯后的動態(tài)逆時滯H∞魯棒控制方法，用另一種控制思路實現中高速巡航飛行模式下對高頻姿態(tài)角的跟蹤。通過這個純滯后近似，動態(tài)逆反饋線性化得到的廣義對象變成一個狀態(tài)和輸入都有相同時長的純滯后的系統(tǒng)。本文推導給出該類型對象的時滯相關魯棒控制器綜合的方法，并用錐補線性化迭代法求解反饋控制矩陣。仿真表明這種控制方法可以實現包含中高速段的非線性巡航控制，對模型不確定性有很強的魯棒性。另外由