小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究

摘要

无人直升机因其独特的飞行特点而具有重要的军事和民用价值，又由于其自身的特殊构造，使无人直升机的建模与控制技术非常复杂，本文正是在这种背景下，进行无人直升机建模与控制技术的研究。
　　 首先，建立了基于“圆盘理论”的无人直升机数学模型，建模时综合考虑了直升机各主要气动部件的建模，详细讨论了主旋翼的气动力模型、诱导速度模型和挥舞运动模型，整个仿真模型最终在S-Function平台上得到了实现。最后采用样例直升机数据，把“圆盘理论”模型和Flightlab模型进行对比，结果证明了“圆盘理论”建模方法的合理性和有效性。根据建模的目的和用途，把在Matlab环境下的数学模型转化为可用于“等效飞控”仿真或半物理实时仿真的C语言版本模型。
　　 其次，介绍了无人直升机飞行控制律的设计工作，利用所建的非线性数学模型，经过配平线性化，得到悬停状态下的线性模型。根据直升机稳定性和耦合性的分析结果，对无人直升机的飞行控制策略、控制规律进行了研究，实现了无人直升机增稳、姿态、位置等飞行控制律。由于工程应用中，对姿态的控制达不到预期的精度，常规的位置控制律不能满足要求，因此提出了改进方案，圆满的解决了内回路控制不准的问题。
　　 最后，根据“等效飞控”的思想，完成了RTOS32在Windows环境下的移植，实现了控制律代码在目标机环境和“等效飞控”环境下的完全一致。设计了“等效飞控”控制台软件等相关软件。并把“等效飞控”仿真和半物理实时仿真结果进行了对比，可以看出“等效飞控”设计环境可以应用于工程项目的开发，能够验证控制律的正确性。然后利用“等效飞控”环境，验证了悬停、回转、前飞、两点航线等飞行模态。