小型無人直升機飛行動力學、控制及試驗研究.pdf

1、小型無人直升機因其可以垂直起降、定點懸停、低速飛行、前飛、后飛等特殊飛行的突出特點，以及具有重量輕、成本低、尺寸小的優(yōu)勢，在民用與軍事領域得到了普遍的應用。然而，小型無人直升機是一個具有強耦合、欠驅動、多變量、時變、開環(huán)不穩(wěn)定特性的高階非線性控制系統(tǒng)，對其自主飛行的研究充滿了巨大的挑戰(zhàn)。因此，本文以小型無人直升機為研究對象，針對其動力學建模、飛行控制技術及航跡規(guī)劃算法展開了研究，目標是為了創(chuàng)建一個既能充分發(fā)揮其性能又能保證飛行安全的控制

2、系統(tǒng)，為未來的智能空中機器人設計打下了基礎。
　　論文首先系統(tǒng)性地推導了小型無人直升機的非線性飛行動力學模型并給出了模型線性化的處理方法。在建模過程中，利用Newton-Euler方程列出了機體的剛體運動學與動力學方程；根據(jù)經(jīng)典動量理論推導出了簡化的主旋翼動力學模型及其揮舞運動方程；考慮到偏航角速度反饋控制系統(tǒng)，建立了簡化的偏航動力學模型。整個動力學模型中還涉及了機身阻力、垂尾與平尾的力和力矩。
　　針對小型無人直升機在懸停

3、處線性模型的系統(tǒng)辨識問題，提出了一種結合預測誤差法和改進人工蜂群算法（PEM-IABC）的混合辨識算法。首先，該算法將系統(tǒng)辨識問題轉化為目標函數(shù)優(yōu)化問題，用PEM算法確定搜索空間參數(shù)的上下限。然后，在雇傭蜂搜索階段，利用自適應搜索策略來加快算法的收斂速度；在跟隨蜂搜索階段，引入一種新穎的概率選擇形式來確保蜜蜂種群的多樣性；在偵察蜂搜索階段，采用Logistic混沌算子來提高算法的全局搜索性能。根據(jù)機載電子設備采集到的飛行數(shù)據(jù)，用PEM-

4、IABC算法對模型中的未知參數(shù)進行了辨識。最后，對辨識得到的模型進行了分析與驗證，結果表明本文所提算法能有效估計出無人直升機動力學模型中的未知參數(shù)。進一步地，利用風洞試驗對模型中的主旋翼揮舞運動時間常數(shù)進行了修正。
　　在獲得無人直升機線性模型的基礎上，提出了一種基于H?靜態(tài)輸出反饋控制算法來實現(xiàn)直升機的抗風擾懸?？刂破鞯脑O計。首先，用H?理論給出了線性時不變系統(tǒng)的靜態(tài)輸出反饋控制技術。然后，采用一種高效數(shù)值解法來求解H?靜態(tài)輸出

5、反饋控制的增益。最后，根據(jù)此控制算法設計了無人直升機姿態(tài)與位置回路的控制器，并通過數(shù)值仿真驗證了所設計控制器的有效性。
　　基于無人直升機非線性動力學模型的動態(tài)不確定性與外部擾動的不確定性，提出了一種基于線性自抗擾控制（LADRC）的多回路軌跡跟蹤控制算法。首先，根據(jù)動力學方程的階次設計了一階、二階和三階LADRC控制器，并構建了無人直升機的軌跡蹤系統(tǒng)，將整個系統(tǒng)分為姿態(tài)、速度和位置三個控制回路。然后，利用螢火蟲算法（GSO）的尋

6、優(yōu)優(yōu)勢對LADRC控制器進行了參數(shù)整定。最后，在測量噪聲與陣風干擾的總擾動下，通過帶爬升率的“8”字形軌跡跟蹤仿真對本文設計的軌跡跟蹤控制器的性能進行了檢驗。結果表明，與ADCRC控制器相比，LADRC控制器具有較高的控制精度與魯棒性，能有效抑制系統(tǒng)擾動。
　　為解決無人直升機在復雜多變環(huán)境下的飛行問題，提出了一種基于云模型人工蜂群算法的無人機航跡規(guī)劃方法。在飛行區(qū)域已知的情況下，首先構建二維與三維規(guī)劃空間模型，并給出相應的航跡代