小型无人直升机多工况多回路融合控制研究

摘要

小型无人直升机不仅具有一般无人直升机所共有的机动灵活飞行性能，易实现悬停和超低空飞行等特点，而且具有体积小、重量轻、成本低以及在实际应用中良好的隐蔽性、高度的灵活性和很强的适应性等独有的特点。正因为MUH的这些特点，其在军用和民用领域都得到了相当广阔的应用，其飞行控制研究越来越深受重视。 小型无人直升机本身是一个典型的非线性、多输入多输出、强噪声、强耦合的复杂控制系统，其自主飞行技术更是融合了先进控制技术、多传感器融合技术、人工智能、图像处理技术、无线传输技术以及先进制造技术等尖端技术，给控制领域带来了很大的挑战性。本文采用多工况多回路融合控制的控制方法对小型无人直升机飞行控制器的控制律进行研究，并且利用Matlab进行了仿真。 本课题研究中，引用美国麻省理工大学学者建立的X-Cell小型航模直升机的数学模型，以相关数学理论为工具，结合现代控制理论、非线性控制理论，利用系统辨识技术获得的模型参数，通过线性化技术进行相关简化，获得用于仿真和控制的康达90级油动小型航模直升机多工况的简化数学模型，一种工况对应一种简化模型。针对悬停与低速前飞两种工况的简化模型，在受模型误差、时变参数和随机干扰的影响较小的外环轨迹控制回路控制律设计中采用经典的PID控制法进行研究；在受模型误差、时变参数和随机干扰的影响较大的内环姿态（俯仰、滚转和偏航）控制回路控制律设计中采用基于神经网络的智能控制法进行研究，以求达到良好的控制效果。设计好结构相同的俯仰、滚转和偏航三个闭环，共同构成姿态闭环控制回路，作为飞行控制系统的内环，提供轨迹跟踪所需的飞行姿态，再进一步完成轨迹跟踪闭环的设计，作为飞行控制系统的外环，设计出相应的控制律。从而进一步的实现小型无人直升机多工况多回路的融合控制。然后，基于设计好的小型无人直升机多工况多回路融合控制的控制律，建立其仿真模型，利用Matlab/Simunink对其飞行控制系统进行仿真分析。主要是对内环的姿态控制与外环的轨迹跟踪控制进行仿真分析，包括两个主要方面：其一是基于根轨迹的研究来分析控制器的稳定性及稳态特性；其二是基于阶跃响应的研究来分析控制器的动态特性及控制品质。由仿真曲线及其结果分析易得，本文设计好的控制律与控制器成功地实现了姿态（θ，φ，ψ）与轨迹（x，y，z）的控制，并取得了良好的控制品质。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.2.1小型无人直升机概述

1.2.2国内外研究现状

1.3研究意义

1.4研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2主要研究工作

1.4.3研究方法

1.4.4论文结构安排

第二章 小型无人直升机多工况时数学模型的引用与简化

2.1引言

2.2小型无人直升机动态数学模型的引用

2.2.1坐标系

2.2.2非线性动力学数学模型

2.3多工况数学模型的简化

2.3.1模型简化的一般性假设

2.3.2降阶和线性化的简化模型

2.3.3多工况的简化模型

2.4本章小结

第三章 小型无人直升机多工况多回路融合控制律的设计

3.1引言

3.2多工况多回路融合控制的控制策略

3.2.1多工况多回路融合控制的基本概念

3.2.2多工况多回路融合控制的实现策略

3.3姿态控制回路控制律的设计

3.3.1悬停工况时的设计

3.3.2低速前飞工况时的设计

3.4轨迹控制回路控制律的设计

3.4.1轨迹控制回路的结构简图

3.4.2高度控制回路的设计

3.4.3位置控制回路的设计

3.5本章小结

第四章 小型无人直升机多工况多回路融合控制的仿真分析

4.1引言

4.2姿态控制回路的仿真

4.2.1悬停工况时的仿真与分析

4.2.2低速前飞工况时的仿真与分析

4.3轨迹控制回路的仿真

4.3.1高度控制回路的仿真曲线与结果分析

4.3.2位置控制回路的仿真曲线与结果分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢