基于粒子群算法的无人直升机控制技术研究

摘要

无人直升机作为一种旋翼飞行器，拥有定点悬停、垂直起降和多方向飞行等能力与部署方便、机动灵活和适用方面广等优点，在现代化军事和民用方面都发挥着愈加重要的作用。本文主要围绕无人直升机数学模型的建立、粒子群优化算法的改进、控制器设计及其仿真进行了相关研究。　　首先，本文以小型无人直升机为研究对象。建立地面坐标系和机体坐标系，并推导坐标系的转换。分析无人直升机机身上的各部分的力和力矩及其运动学方程和六自由度动力学方程得到了非线性数学模型。随后采取小扰动法进行线性化处理得到了线性化的数学模型。　　其次，提出了改进的粒子群优化算法。通过对参数的分析，考虑基本粒子群优化算法易陷入局部极小值且收敛性能差等缺陷。采取自适应权重和改造学习因子相结合的方法。通过两种经典测试函数Ackley函数和Schaffer函数的验证，实验结果显示该方法具有良好的收敛速度以及搜索精准度。　　针对无人直升机通道间强耦合的问题设计了显模型跟踪控制系统。根据操作品质要求设计了俯仰、横滚、航向和总距四个线性独立的通道，然后对显模型和控制阵进行设计。控制系统中的前向增益对角阵和积分常数阵通常采用反复试验多次试错的方法，通过改进的粒子群优化算法对其进行处理，减少工作量提高工作效率。在显模型控制的基础上加入线性二次型调节器，在设计状态反馈控制的过程中，采取同样方法对线性二次型的加权矩阵Q和R用改进的粒子群优化算法对其进行处理，进而改善控制器性能。　　最后，对显模型跟踪控制系统和LQR状态反馈控制系统，通过数值仿真验证改进的粒子群算法对控制系统的优化效果。相较于传统设计方案，该方法提高了设计的效率，同时又保证了系统的性能要求。对无人直升机飞行控制平台进行研究，给出了系统工作信息流程，分析了飞行控制系统组成及其功能的实现。在总结全文的基础上提出了研究中存在的问题和下一步的方向，为以后的工作开展做准备。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 无人直升机控制技术国内外研究现状

1.3 粒子群算法研究现状

1.4 主要研究内容以及章节安排

第2章 无人直升机数学模型建立

2.1 引言

2.2 相关坐标系与转换

2.2.1 坐标系定义

2.2.2 坐标系之间的转换

2.3 无人直升机上的力和力矩

2.3.1 旋翼的挥舞运动

2.3.2 主旋翼

2.3.3 尾桨

2.3.4 机身

2.3.5 平尾

2.3.6 垂尾

2.4 无人直升机的运动学方程

2.4.1 平移运动学方程

2.4.2 旋转运动学方程

2.5 无人直升机的动力学方程

2.5.1 重力在机体坐标系的分解

2.5.2 无人直升机刚体运动学方程

2.6 无人直升机数学模型

2.6.1 非线性数学模型

2.6.2 小扰动线性化数学模型

2.7 本章小结

第3章 粒子群优化算法分析研究

3.1 引言

3.2 粒子群算法描述

3.2.1 粒子群算法概念与思想

3.2.2 粒子群算法流程

3.3 粒子群优化算法改进

3.4 粒子群优化算法改进验证

3.5 本章小结

第4章 基于改进粒子群算法的显模型控制

4.1 引言

4.2 控制系统设计

4.2.1 控制系统工作原理

4.2.2 显模型设计

4.2.3 控制系统中各矩阵设计

4.3 仿真验证

4.4 性能评估

4.4.1 跟踪性能评估

4.4.2 鲁棒性能评估

4.5 本章小结

第5章 基于改进粒子群算法的LQR状态反馈控制

5.1 引言

5.2 轨迹跟踪控制系统

5.3 基于LQR显模型控制器设计

5.4 仿真验证

5.5 性能评估

5.5.1 跟踪性能评估

5.5.2 鲁棒性能评估

5.6 本章小结

第6章 飞行控制平台研究

6.1 引言

6.2 飞行控制平台设计

6.3 飞控系统组成选择与功能实现

6.4 本章小结

第7章 结论

7.1 本文总结

7.2 存在的问题与下一步研究内容

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果