本文關鍵詞：小型無人直升機多模態(tài)飛行控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

  更多相關文章： UAV 無人直升機 飛行控制 多模態(tài) PID控制 軟件架構

【摘要】：小型無人直升機具有高靈敏度、高準確性和飛行過程安全可靠等特點。相比于其它固定翼無人機,小型無人直升機造價低、體積小、重量輕,能夠完成垂直起降、空中懸停、協(xié)調(diào)轉彎、向前和向后飛行等多種姿態(tài)飛行,它不僅能夠完成固定翼無人機所能完成的各種任務,諸如飛行訓練、地質(zhì)勘探、氣象觀察、搜索救援、運輸?shù)?而且它對起飛場地,使用環(huán)境要求都較小,能夠適應復雜多變的環(huán)境。憑借自身的特性,小型無人直升機在民用和軍用方面都有著廣泛的應用。本論文對小型無人直升機的飛行控制系統(tǒng)設計方法進行了研究,并通過大量的仿真實驗和真實飛行實驗,對所設計的飛行控制方法進行了驗證。 論文的主要研究內(nèi)容和貢獻如下: (1)研究了小型無人直升機的數(shù)學模型。在卡內(nèi)基梅隆大學所建立的Yamaha R50型十一階直升機數(shù)學模型基礎上,分析了亞拓600小型無人直升機的物理特性。 (2)基于PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法,設計了小型無人直升機飛行控制系統(tǒng)底層控制結構。整個底層控制結構分成內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)三個控制回路。控制算法能控制直升機完成起飛、懸停、降落等動作,并具有良好的穩(wěn)定性。 (3)基于直升機所處的飛行階段,對直升機進行飛行模態(tài)的劃分。目前將直升機模態(tài)分為五種飛行模態(tài):靜止模態(tài)、起飛模態(tài)、巡航模態(tài)、降落模態(tài)、異常模態(tài)。并對每一個模態(tài)都設計了不同的控制策略,來保障直升機在各個模態(tài)下保持良好的飛行特性。 (4)采用軟件架構設計的方法,對飛行控制系統(tǒng)機載軟件進行了架構設計。從功能邏輯層次和數(shù)據(jù)運行層次兩個方面,對飛行控制系統(tǒng)架構進行了細致的分析,從而有效地改善了軟件質(zhì)量,提高了機載軟件的魯棒性。 (5)在PC 104機載計算機上,基于Linux操作系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)了機載飛行控制系統(tǒng)軟件。并對最終實現(xiàn)的軟件進行了可調(diào)度性分析。 (6)設計并完成了直升機室外飛行實驗,通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,驗證了飛行控制系統(tǒng)設計的正確性。 本文主要研究和實現(xiàn)小型無人直升機自主飛行控制系統(tǒng),為自主飛行小型無人直升機的研制創(chuàng)造了良好的基礎。本文所設計的飛行控制系統(tǒng),已經(jīng)成功控制亞拓600型無人直升機在室外環(huán)境中完成自動起飛、定點懸停和自動降落等飛行任務,而且具有良好的控制精度、穩(wěn)定性和響應時間特性。
【關鍵詞】：UAV 無人直升機 飛行控制 多模態(tài) PID控制 軟件架構
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 緒論10-18
• 1.1 前言10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3 論文研究目標15-16
• 1.4 論文結構16-17
• 1.5 本章小結17-18
• 2 相關技術介紹18-30
• 2.1 小型無人直升機結構和飛行原理18-21
• 2.1.1 直升機物理結構18-19
• 2.1.2 控制輸入量19-20
• 2.1.3 大槳揮舞現(xiàn)象20-21
• 2.2 小型無人直升機飛行控制系統(tǒng)21-22
• 2.3 飛行控制系統(tǒng)硬件介紹22-23
• 2.4 地面監(jiān)測系統(tǒng)23-25
• 2.4.1 地面控制系統(tǒng)23-24
• 2.4.2 地面導航系統(tǒng)24-25
• 2.5 GPS 坐標系轉換算法25-26
• 2.6 小型無人直升機數(shù)學模型26-29
• 2.6.1 直升機坐標系26-27
• 2.6.2 直升機剛體模型27-29
• 2.7 本章小結29-30
• 3 基于多模態(tài)的PID 控制算法設計與實現(xiàn)30-42
• 3.1 經(jīng)典PID 控制算法30-31
• 3.2 控制結構設計31-34
• 3.2.1 姿態(tài)PID 控制器31-32
• 3.2.2 速度PID 控制器32-33
• 3.2.3 位置PID 控制器33-34
• 3.3 直升機模態(tài)34-39
• 3.3.1 靜止模態(tài)35
• 3.3.2 起飛模態(tài)35-36
• 3.3.3 巡航模態(tài)36-38
• 3.3.4 異常模態(tài)38-39
• 3.3.5 降落模態(tài)39
• 3.4 仿真實驗分析39-40
• 3.5 本章小結40-42
• 4 直升機飛行控制機載系統(tǒng)設計與實現(xiàn)42-56
• 4.1 飛行控制機載系統(tǒng)架構設計42-45
• 4.1.1 功能邏輯架構42-44
• 4.1.2 數(shù)據(jù)運行架構44-45
• 4.2 可調(diào)度性分析45-46
• 4.3 系統(tǒng)自檢模塊設計與實現(xiàn)46-47
• 4.4 故障檢測與故障處理模塊設計與實現(xiàn)47
• 4.5 指令解析模塊的設計與實現(xiàn)47-49
• 4.6 控制率計算模塊的設計與實現(xiàn)49-52
• 4.7 天地通信模塊設計與實現(xiàn)52-54
• 4.8 本章小結54-56
• 5 系統(tǒng)測試與飛行實驗56-66
• 5.1 飛行控制機載系統(tǒng)軟件測試56-61
• 5.1.1 機載系統(tǒng)軟件功能測試56-60
• 5.1.2 機載系統(tǒng)軟件性能測試60-61
• 5.2 室外飛行實驗驗證61-64
• 5.2.1 直升機姿態(tài)控制實驗62-63
• 5.2.2 直升機位置控制實驗63-64
• 5.3 本章小結64-66
• 6 本文總結和展望66-68
• 6.1 本文總結66
• 6.2 未來工作展望66-68
• 參考文獻68-72
• 致謝72-74
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄74-76

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王三喜;微型無人直升機飛行控制系統(tǒng)軟件仿真與系統(tǒng)設計研究[D];浙江大學;2004年

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本文編號：1063650