超小型無人旋翼機XZ03飛控系統(tǒng)的機械電子學(xué)設(shè)計研究.pdf

1、超小型無人旋翼機具有特征尺寸小，成本低，起飛著陸場地小，機動性好，特別是可作懸空飛行等特點，因此具有相當(dāng)廣泛的用途。無人旋翼機通常用于視距范圍內(nèi)由地面控制人員操縱飛行，但有效飛行半徑小，一旦飛出視覺范圍，旋翼機的姿態(tài)很難目測清楚，因而對遙控飛行帶來困難。為了解決這一問題，必須設(shè)計出一種控制器，幫助完成視距外的自主姿態(tài)控制。 本論文詳細(xì)介紹了針對上述問題的超小型無人旋翼機飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，設(shè)計了實現(xiàn)超小型無人旋翼機的自

2、主飛行控制系統(tǒng)。 首先，在研究過程中發(fā)現(xiàn)機體結(jié)構(gòu)振動對超小型無人旋翼機飛行控制器的性能、任務(wù)傳感器的穩(wěn)定性、圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量和數(shù)據(jù)鏈的可靠性等方面影響很大。為此針對旋翼機結(jié)構(gòu)模態(tài)進行了分析和實驗：用CATIA的有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性進行分析，計算出了旋翼機的各階振型與頻率。通過結(jié)構(gòu)試驗對CATIA計算結(jié)果進行驗證，并且根據(jù)計算和實驗的結(jié)果進行了結(jié)構(gòu)調(diào)整。通過結(jié)構(gòu)的調(diào)整和加強，超小型無人旋翼機的機體振幅有所減小。同時，根據(jù)

3、超小型無人旋翼機機體的模態(tài)，飛行控制系統(tǒng)的各類傳感器盡可能安裝在機體振幅較小的位置，改善了傳感器的工作性能。 然后，對超小型無人旋翼機飛行中的受力和運動建模進行了分析。研究了旋翼飛行器穩(wěn)定飛行，即懸空或者勻速平飛時的受力狀態(tài)，并通過實驗和計算，得出超小型無人旋翼機穩(wěn)定飛行受力的結(jié)果。通過受力的計算，可以確認(rèn)氣動力參數(shù)的大致范圍，為傳遞函數(shù)的確定奠定了基礎(chǔ)。 在上述研究的基礎(chǔ)上，分析和推導(dǎo)了超小型旋翼飛行器縱向操縱響應(yīng)

4、、橫向操縱響應(yīng)、航向操縱響應(yīng)、總距(垂直)操縱響應(yīng)的傳遞函數(shù)。通過對旋翼飛行器操縱和響應(yīng)的試飛數(shù)據(jù)采集和處理，采用改進型風(fēng)修正權(quán)最小二乘法ARX模型進行辨識，在排除側(cè)風(fēng)和迎風(fēng)對辨識干擾的情況下，獲得了縱向操縱響應(yīng)，橫向操縱響應(yīng)，航向操縱響應(yīng)的傳遞函數(shù)參數(shù)。并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了改進PID控制算法，即整合模糊自整定PID和遺傳算法優(yōu)化PID算法，用遺傳算法優(yōu)化后的參數(shù)來代替模糊自整定PID控制中基礎(chǔ)參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳控制效果。 本論

5、文還研究和設(shè)計了超小型無人旋翼機導(dǎo)航系統(tǒng)算法和策略，并采用Kalman濾波技術(shù)進行信息融合的研究，實驗證明信息融合系統(tǒng)在定姿定位精度方面有一定提高。 在理論和實驗研究的基礎(chǔ)上，對飛行控制系統(tǒng)硬件進行了設(shè)計，研制了超小型無人旋翼機數(shù)據(jù)信號接口電路、遙控/自控切換電路等。本論文所研制的系統(tǒng)硬件在傳感器配置、處理器性能、功耗、尺寸和重量方面具有先進性，并為系統(tǒng)的擴展和改進預(yù)留了接口。本論文最后介紹了基于硬件系統(tǒng)的飛行控制軟件，闡述了