超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)及自主滯空飛行的研究.pdf

1、超小型無人直升機(jī)具有成本低、體積小、攜帶方便、起飛著陸場(chǎng)地小等特點(diǎn)，尤其是可做滯空飛行，這使其在反恐防爆等重要場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用的優(yōu)越性特別突出。但是，超小型無人直升機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合以及非穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尤其是在滯空飛行狀態(tài)下，其穩(wěn)定性非常差，更容易受到風(fēng)等外力的干擾，所以，進(jìn)行超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)以及自主滯空飛行的研究，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 本論文在分析了國內(nèi)外對(duì)超小型無人直升機(jī)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，歸納了超小型

2、無人直升機(jī)系統(tǒng)的若干問題，并根據(jù)研究背景的需要，提出了進(jìn)行超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的研究目標(biāo)，并規(guī)劃了為實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)而需要進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容。 接著，從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)超小型無人直升機(jī)系統(tǒng)的傳感器、控制器和通訊系統(tǒng)進(jìn)行了選型，并基于模塊化的指導(dǎo)思想進(jìn)行了超小型無人直升機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)。 姿態(tài)傳感器是超小型無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，為了得到高性能的姿態(tài)參考系統(tǒng)，本論文對(duì)超小型無人直升機(jī)機(jī)載慣性傳感器進(jìn)行了信息融合的研究

3、；融合的主要思想是：積分角速率信號(hào)得到預(yù)估姿態(tài)，然后由加速度計(jì)和磁力計(jì)得到的姿態(tài)角作為觀測(cè)量，糾正預(yù)估姿態(tài)中由于隨機(jī)漂移等因素引起的誤差，得到最優(yōu)的姿態(tài)信息，并同時(shí)對(duì)角速度陀螺的漂移誤差進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)上述融合思想，本論文提出了卡爾曼濾波算法一種新的模型，并進(jìn)行了線性化和離散化處理，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于該擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的低成本姿態(tài)參考系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型是一個(gè)基本而且重要的部分，一

4、個(gè)好的數(shù)學(xué)模型可以使我們明白系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和物理結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的幫助。為了建立超小型無人直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型，本論文首先建立了超小型無人直升機(jī)的機(jī)體剛體動(dòng)力學(xué)方程和空氣動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)對(duì)主槳和貝爾-希勒翼進(jìn)行了研究，在上述研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)滯空飛行狀況下超小型無人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)方程的合理假設(shè)，先后求解得到伺服小翼揮舞角的表達(dá)式以及俯仰力矩、橫滾力矩和偏航力矩的簡(jiǎn)化方程，從而確定了具有物理意義的滯空飛行狀態(tài)下的超小型無人直升

5、機(jī)姿態(tài)模型的結(jié)構(gòu)。 對(duì)上述滯空飛行狀態(tài)下超小型無人直升機(jī)姿態(tài)模型中存在的一些未知參數(shù)，本論文通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法得到上述參數(shù)。首先，分析超小型無人直升機(jī)的特點(diǎn)，并根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了飛行實(shí)驗(yàn)，然后利用飛行數(shù)據(jù)，采用預(yù)測(cè)誤差法對(duì)姿態(tài)模型中的未知參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，從而獲得完整的姿態(tài)模型；然后，通過仿真對(duì)上述姿態(tài)模型進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)：在滯空飛行狀態(tài)下，超小型無人直升機(jī)姿態(tài)的耦合性主要存在與俯仰通道和橫滾通道之間。超小型無人直升機(jī)的飛

6、控系統(tǒng)包括導(dǎo)航控制和姿態(tài)控制，而且導(dǎo)航控制一般也是以姿態(tài)控制作為內(nèi)環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。姿態(tài)控制是超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的核心問題，也是最關(guān)鍵的問題。根據(jù)上面的分析，本論文建立以姿態(tài)控制為內(nèi)環(huán)，導(dǎo)航控制為外環(huán)的超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的控制框架。針對(duì)超小型無人直升機(jī)姿態(tài)通道之間的耦合性，本論文首先采用了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制算法；然后提出了一種模糊規(guī)則前提、模糊規(guī)則結(jié)論和解模糊具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)性能的超小型無人直升機(jī)姿態(tài)自適應(yīng)模糊控制算法，并對(duì)超小型

7、無人直升機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；另外，對(duì)超小型無人直升機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 在上述幾章研究的基礎(chǔ)上，本論文對(duì)超小型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本論文首先采用模塊化的思想設(shè)計(jì)了機(jī)載飛控系統(tǒng)，它由姿態(tài)參考系統(tǒng)模塊、GPS制導(dǎo)模塊、舵機(jī)控制模塊和主控模塊組成。然后，根據(jù)各個(gè)模塊的功能，對(duì)機(jī)載飛控系統(tǒng)的軟件任務(wù)進(jìn)行了分解，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)的難度；并采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)策略和循環(huán)查詢標(biāo)志策略相結(jié)合的方法，對(duì)機(jī)載飛控系統(tǒng)的