基于模态切换的无人直升机双回路鲁棒控制器的研究

摘要

随着技术的发展，无人直升机因其具有的独特飞行特性、体积小、质量轻、造价低等特点，在军民用领域发挥着越来越大的作用。在自主飞控系统控制下能够完成固定翼飞行器无法胜任的任务，如线缆巡检、反恐侦查、灾情巡查等。所以研发无人直升机自主飞控系统具有非常重要的意义。本课题旨在研究基于模态切换的无人直升机双回路鲁棒控制算法，并开发一套飞行姿态控制试验平台。
　　 首先针对文献中提供的多个模态MIMO无人直升机线性模型进行分析，证明其对象本身各通道均存在静不稳定性和较大耦合性。在借鉴内外回路控制和鲁棒控制思想的基础上，提出一种基于模态切换的双回路鲁棒控制算法。其中内回路控制器采用H∞回路成形技术进行设计，使得内回路不仅能够实现ADS-33 E-PRF标准规定的三维姿态角和垂向速率通道间解耦，满足通道内的带宽、静动态ACAH性能要求，而且具有一定的鲁棒稳定裕度，以克服模型不确定性带来的内环系统摄动；外回路控制器采用H∞混合灵敏度优化技术进行设计，使外回路实现纵向、横向速率以及高度的控制，并以此为基础，给出了降阶控制器参数化设计的结构；对于多模态系统控制问题，给出了多模态切换控制实现的条件。并且在一定假设条件下，提出了一种基于模糊“软切换”的多模态切换控制策略，以此减小切换过程中的抖动和冲击。该算法经仿真验证，获得了期望的控制效果。
　　 其次，设计了一套无人直升机飞行姿态控制试验平台。考虑到系统的可靠性和可扩展性，该平台设计为“机载上位机--机载下位机--地面站”的系统架构方式。机载上位机采用“Wifi模块+PC104 plus”嵌入式计算机作为硬件平台，在其上面安装Windows XP系统，用Visual C++6.0进行应用软件开发，完成与机载下位机进行指令信号与监测数据的串行通讯，数据机载存储以及向地面站进行数据无线转发。地面站负责接收机载上位机无线转发的数据并进行存储。机载下位机软硬件完全进行自主设计、开发和调试。通过系统需求分析，设计采用“DSP+CPLD”架构模式，在CCS和QuartusⅡ开发环境中进行程序开发，实现IMU导航姿态解算、姿态指令跟踪控制算法、伺服舵机的驱动PWM波形的生成以及手动自动切换等功能。平台开发完成后，被移植到“雷虎90”原型直升机模型上，并进行了室内和室外的试飞实验。对摄录的影像资料和采集到的检测数据的分析，证明了该飞行姿态控制平台的实用性和可行性。