小型無人直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)、控制及試驗(yàn)研究.pdf

1、小型無人直升機(jī)因其可以垂直起降、定點(diǎn)懸停、低速飛行、前飛、后飛等特殊飛行的突出特點(diǎn)，以及具有重量輕、成本低、尺寸小的優(yōu)勢，在民用與軍事領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。然而，小型無人直升機(jī)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、多變量、時(shí)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(jī)為研究對象，針對其動(dòng)力學(xué)建模、飛行控制技術(shù)及航跡規(guī)劃算法展開了研究，目標(biāo)是為了創(chuàng)建一個(gè)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(jī)器人設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。
　　論文首先系統(tǒng)性地推導(dǎo)了小型無人直升機(jī)的非線性飛行動(dòng)力學(xué)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(jī)體的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程；根據(jù)經(jīng)典動(dòng)量理論推導(dǎo)出了簡化的主旋翼動(dòng)力學(xué)模型及其揮舞運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型。整個(gè)動(dòng)力學(xué)模型中還涉及了機(jī)身阻力、垂尾與平尾的力和力矩。
　　針對小型無人直升機(jī)在懸停

3、處線性模型的系統(tǒng)辨識問題，提出了一種結(jié)合預(yù)測誤差法和改進(jìn)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(zhuǎn)化為目標(biāo)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(yīng)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(jī)載電子設(shè)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(jìn)行了辨識。最后，對辨識得到的模型進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提算法能有效估計(jì)出無人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型中的未知參數(shù)。進(jìn)一步地，利用風(fēng)洞試驗(yàn)對模型中的主旋翼揮舞運(yùn)動(dòng)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了修正。
　　在獲得無人直升機(jī)線性模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于H?靜態(tài)輸出反饋控制算法來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的抗風(fēng)擾懸?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)。首先，用H?理論給出了線性時(shí)不變系統(tǒng)的靜態(tài)輸出反饋控制技術(shù)。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(shè)計(jì)了無人直升機(jī)姿態(tài)與位置回路的控制器，并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。
　　基于無人直升機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)不確定性與外部擾動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程的階次設(shè)計(jì)了一階、二階和三階LADRC控制器，并構(gòu)建了無人直升機(jī)的軌跡蹤系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)分為姿態(tài)、速度和位置三個(gè)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(jìn)行了參數(shù)整定。最后，在測量噪聲與陣風(fēng)干擾的總擾動(dòng)下，通過帶爬升率的“8”字形軌跡跟蹤仿真對本文設(shè)計(jì)的軌跡跟蹤控制器的性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)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(dòng)。
　　為解決無人直升機(jī)在復(fù)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(jī)航跡規(guī)劃方法。在飛行區(qū)域已知的情況下，首先構(gòu)建二維與三維規(guī)劃空間模型，并給出相應(yīng)的航跡代