微小型直升机自主飞行控制系统设计

摘要

近些年来，很多研究机构都在致力于研究飞行器全自主飞行控制的相关技术，因为自主驾驶的飞行器可以无需考虑飞行员的极限条件，更加充分的发挥出飞行器的性能并且能够执行更复杂危险的任务。当前无人飞行器已经在战争侦察、边境监视、目标搜索与火力打击等军事需求上得到了广泛应用，而民用商业领域的灾害勘查搜救、地理测绘、航拍摄影、电力管道排查、农作物辅助种植等应用则是它未来发展方向。飞行器中主要有固定翼和旋翼两大类，其中固定翼具有结构简单、动力学特性稳定且对称、控制解耦、自主飞行控制系统设计相对简单等特性。然而旋翼飞行器由于具有低速巡航、定点悬停、垂直起降等独特的飞行能力，在某些军民应用的场合是不可替代的，所以关于实现它的全自主飞行控制的研究也越来越多。直升机作为最典型的旋翼飞行器，关于旋翼飞行器自主飞行控制取得的主要研究进展大部分都是基于直升机的，然而它是严重非线性、参数时变、高度耦合且不稳定的欠驱动多输入多输出复杂系统并且时刻暴露在多扰动的环境中，目前已有研究成果还远没能解决上述科学问题，所以有必要进一步开展直升机自主飞行控制相关的技术研究。
　　本文开展的研究工作是为更深层次研究直升机的自主飞行控制提供验证平台，将已有的直升机自主飞行控制理论设计方法与工程实现之间建立桥梁，最终集成出能够实现微小型直升机自主飞行的试验平台。文章解决了直升机自主飞行控制系统设计过程中的3个理论方面的问题：1.由直升机的基本结构、力与运动关系入手，总结出了直升机的控制输入与运动参数输出的4条解耦关系来辅助控制器设计；2.采用控制方法从理论上设计了直升机的自主飞行控制律，并通过X-CELL60直升机数学模型和Matlab软件完成了仿真验证；3.通过动态修正加速度测量误差后再积分的方法，成功解决了直升机速度状态估计问题。同时，文章在工程实践上成功完成了微小型直升机自主飞行控制试验平台的航电系统设计与集成，并在此平台上设计了相应的自主飞行控制系统软件。目前，控制软件已成功进行直升机悬停工作点、速度估计、位置插值、航向锁定、高度锁定的飞行试验，结果证明了自主飞行控制系统设计的合理性。

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第一章 绪论

1. 1 简介

1. 2自主飞行控制系统研究现状

1. 3课题来源及研究目标

1. 4论文的组织结构

第二章 直升机自主飞行控制系统理论分析及设计

2. 1 直升机基本飞行运动与控制

2. 2直升机输入输出分析

2. 3 直升机自主飞行控制律设计与仿真

2. 4 直升机速度估计与位置插值

2. 5 本章小结

第三章 直升机自主飞行平台的系统集成

3. 1自主飞行平台硬件总体需求

3. 2 硬件资源集成

3. 3 软件开发平台

3. 4 本章小结

第四章 自主飞行控制软件设计

4. 1 自主飞行控制软件总体框架

4. 2 自主飞行控制软件功能实现

4. 3 本章小结

第五章 飞行试验验证

5. 1 飞行试验场地描述

5. 2 直升机平衡工作点

5. 3 直升机状态估计算法测试

5. 4 自主飞行控制算法测试

5. 5 本章小结

第六章 结论

6. 1研究主要贡献

6. 2 未来研究方向

致谢

参考文献