基于非線性模型的無人直升機(jī)自動(dòng)飛行控制方法研究.pdf

1、無人直升機(jī)因其獨(dú)特的飛行特點(diǎn)而具有日益重要的軍事和民用價(jià)值。小型無人直升機(jī)加載自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)以后可以實(shí)現(xiàn)超視距飛行，能夠完成許多常規(guī)飛行器所不能完成的任務(wù)。研究開發(fā)無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，然而由于無人直升機(jī)本身是一個(gè)典型的不穩(wěn)定、強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性系統(tǒng)，開發(fā)無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)一直是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。針對(duì)當(dāng)前飛行控制研究中存在的問題，以一款單旋翼帶尾槳式微型航模直升機(jī)(“雷虎90”)為研究對(duì)象，設(shè)

2、計(jì)出一套融合了狀態(tài)相關(guān)黎卡提方程(SDRE)和非線性前饋補(bǔ)償技術(shù)的控制算法，并進(jìn)行了試飛驗(yàn)證。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴SDRE控制理論研究。對(duì)SDRE控制方法做理論方面的系統(tǒng)闡述。針對(duì)目前SDRE研究的三個(gè)重點(diǎn)方向，即全狀態(tài)反饋理論、非線性觀測器和SDRE的數(shù)值解給出了研究成果。
　　 ⑵無人直升機(jī)非線性數(shù)學(xué)建模及特性分析。根據(jù)表征直升機(jī)運(yùn)動(dòng)的三大組成部分(主旋翼揮舞、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌跡運(yùn)動(dòng))狀態(tài)變化速率差異很大的現(xiàn)實(shí)

3、情況，將無人直升機(jī)整體非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分解，對(duì)主旋翼揮舞、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌跡運(yùn)動(dòng)分別建模，得出一組適用于SDRE控制的仿射非線性規(guī)范模型，并對(duì)模型中影響狀態(tài)變量運(yùn)動(dòng)的主、次要因素進(jìn)行數(shù)值分析，證明了規(guī)范模型的合理性。
　　 ⑶無人直升機(jī)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)。對(duì)SDRE方法在理論方面進(jìn)行拓展，結(jié)合李亞普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)全局漸近穩(wěn)定的SDRE姿態(tài)控制器，給出了證明過程和姿態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。另外，還對(duì)非線性前饋補(bǔ)償技術(shù)、主旋翼轉(zhuǎn)

4、速(Ω)和主旋翼揮舞角(αf，bf)的在線估計(jì)問題進(jìn)行了研究，給出了仿真研究結(jié)果。
　　 ⑷無人直升機(jī)軌跡控制器設(shè)計(jì)。運(yùn)用SDRE方法結(jié)合非線性前饋補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了三軸速度(u，v，w)控制器，給出速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由于速度控制實(shí)現(xiàn)了解耦，三維坐標(biāo)位置(x，y，z)的控制采用傳統(tǒng)。PID方法。仿真結(jié)果證明了控制器的有效性。
　　 ⑸控制器性能試飛驗(yàn)證。在已有理論研究和仿真分析成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)了無人直升機(jī)自主飛行控制系