本文關(guān)鍵詞：共軸雙旋翼無人直升機(jī)建模與控制算法研究

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【摘要】：旋翼無人直升機(jī)在環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)機(jī)械化、地質(zhì)勘查、物流和智能化軍事等領(lǐng)域具有巨大的平臺應(yīng)用潛力。獨(dú)特的懸停低速飛行能力使其在執(zhí)行定點(diǎn)、精準(zhǔn)和詳查任務(wù)時比固定翼無人機(jī)更具優(yōu)勢。共軸雙旋翼布局形式的無人直升機(jī)在長航時、高速度和重載荷需求時更具實(shí)用潛力,逐漸引起了國內(nèi)外科研人員的研究熱情和投入。國內(nèi)共軸旋翼無人直升機(jī)存在研究起步晚、投入力度低和研究基礎(chǔ)薄弱等問題,且現(xiàn)有共軸雙旋翼直升機(jī)是從蘇聯(lián)整機(jī)引進(jìn)。目前,國內(nèi)該類機(jī)型在改造和升級中遇到了極大的技術(shù)難題,特別是在整機(jī)建模和飛行控制領(lǐng)域存在嚴(yán)重研究不足的情況。同類機(jī)型與國外研究相比存在巨大差距。因此,開展共軸雙旋翼無人直升機(jī)建模和飛控算法的研究是極其迫切和必要的。本文依托“十二五規(guī)劃”“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)”“重載荷智能化物探專用無人直升機(jī)研制”(2013AA063903),對共軸雙旋翼無人直升機(jī)建模和控制算法展開了研究,為搭載、改造和升級提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。為提高飛控系統(tǒng)處理非線性、強(qiáng)耦合和多不確定性共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行穩(wěn)定性提供理論和技術(shù)支撐,彌補(bǔ)共軸雙旋翼無人直升機(jī)在整機(jī)建模和飛控算法研究中存在的不足;降低樣機(jī)研制成本和縮短項(xiàng)目研制周期,為高速、高載荷和高機(jī)動復(fù)合式旋翼無人直升機(jī)提供技術(shù)儲備。建模方面,國內(nèi)外研究者主要集中在共軸雙旋翼氣動性能分析和優(yōu)化設(shè)計,存在樣機(jī)模型建模不完整和不系統(tǒng)的問題。同時雙旋翼之間非線性、高不確定性和強(qiáng)耦合等空氣動力學(xué)特性,增加了整機(jī)建模的難度。飛行控制算法方面,PID、魯棒、自適應(yīng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法雖然已被成功應(yīng)用于單旋翼直升機(jī)等飛行器,但缺少針對共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行控制算法的研究。共軸雙旋翼無人直升機(jī)具有模型復(fù)雜度高、不確定性多和耦合性強(qiáng)等特點(diǎn),造成了大多數(shù)飛行控制算法難以保證飛行魯棒穩(wěn)定性和高水平飛行性能。飛行控制系統(tǒng)工程化應(yīng)用方面,不僅包括控制算法,而且還涵蓋飛行控制策略、飛行控制結(jié)構(gòu)和算法工程易實(shí)施性等問題。研究內(nèi)容主要包括:(1)針對共軸雙旋翼無人直升機(jī)缺乏整機(jī)建模的情況,采用模塊化建模思想進(jìn)行了系統(tǒng)化的樣機(jī)建模。該方法涵蓋了部件機(jī)理建模、動力學(xué)方程配平計算、非線性方程線性化和動態(tài)特性分析等共軸雙旋翼無人直升機(jī)建模關(guān)鍵部分。以旋翼機(jī)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為參考,設(shè)計了參數(shù)合理化校核流程,完成了整機(jī)建模,形成了基于模塊化思想的系統(tǒng)化共軸雙旋翼無人直升機(jī)建模方法。(2)針對非線性、高復(fù)雜度和高不確定性共軸雙旋翼無人機(jī)直升機(jī)飛控算法研究不足的問題,提出了將H_∞回路成形算法應(yīng)用于飛行控制器設(shè)計�；谄娈愔淀憫�(yīng)和RGA(相對增益排列)原理,提出了一種共軸雙旋翼無人直升機(jī)的飛行控制策略。推導(dǎo)了H_∞回路成形實(shí)現(xiàn)過程,完成了共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行控制器的設(shè)計,仿真試驗(yàn)證明了閉環(huán)系統(tǒng)能在一定不確定性干擾下保證模型的魯棒穩(wěn)定性,同時具有良好的解耦和階躍響應(yīng)特性。(3)針對經(jīng)典H_∞回路成形控制器階數(shù)偏高和性能指標(biāo)調(diào)節(jié)不靈活的問題,提出了基于線性矩陣不等式的低階參數(shù)化H_∞回路成形控制算法,推導(dǎo)和證明了算法的穩(wěn)定性條件。以姿態(tài)子模塊為對象,與經(jīng)典H_∞回路成形進(jìn)行了仿真對比,驗(yàn)證了所提算法在減少控制器階數(shù)和靈活設(shè)計性能指標(biāo)的有效性。(4)針對多輸入多輸出共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)工程化應(yīng)用的問題,分析總結(jié)了典型無人直升機(jī)飛行控制結(jié)構(gòu),根據(jù)模型奇異值響應(yīng)特性,提出了“串級雙層三模塊”的飛行控制結(jié)構(gòu)。子模塊采用經(jīng)典H_∞回路成形、基于LMI的H_∞回路成形和本文所提算法,并分別進(jìn)行仿真對比分析,進(jìn)而與采用H_∞回路成形的全階控制結(jié)構(gòu)的階躍響應(yīng)進(jìn)行了對比分析。在魯棒穩(wěn)定性、飛行性能指標(biāo)和控制算法工程易實(shí)施性等綜合考慮下,最終確定內(nèi)層采用經(jīng)典H_∞回路成形和外層采用所提算法的飛行控制系統(tǒng)。(5)飛行控制算法驗(yàn)證測試平臺方面,通過實(shí)際組裝、測試飛行單旋翼和四旋翼無人機(jī),確定了四旋翼無人機(jī)為試驗(yàn)測試平臺,以降低試驗(yàn)測試成本和風(fēng)險。通過分析四旋翼無人機(jī)懸停下動態(tài)特性,證明了四旋翼測試平臺具備測試飛行控制算法的能力。創(chuàng)新點(diǎn):(1)基于模塊化思想,系統(tǒng)化的建立了共軸雙旋翼無人直升機(jī)整機(jī)動力學(xué)模型,涵蓋了部件機(jī)理建模、動力學(xué)方程配平計算、非線性方程線性化和動態(tài)特性分析等關(guān)鍵部分。(2)將H_∞回路成形算法首先應(yīng)用于共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行控制,提高了飛控系統(tǒng)的魯棒性。(3)提出了低階參數(shù)化H_∞回路成形控制算法,有效減少了控制器階數(shù)。(4)構(gòu)建了串級雙層三模塊的共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),性能良好,降低了控制器工程實(shí)施復(fù)雜度。
【關(guān)鍵詞】：旋翼無人機(jī) 共軸雙旋翼 魯棒控制 不確定性 線性矩陣不等式
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V275.1;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 研究背景14
• 1.2 研究現(xiàn)狀14-23
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.3 建模研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.4 控制算法研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3 理論基礎(chǔ)23-25
• 1.3.1 建�；纠碚�23-24
• 1.3.2 控制基本理論24-25
• 1.4 研究內(nèi)容25-26
• 1.5 本章小結(jié)26-28
• 第2章 共軸雙旋翼無人直升機(jī)數(shù)學(xué)建模28-50
• 2.1 建模28-33
• 2.2 參數(shù)設(shè)計及校核計算33-38
• 2.2.1 參數(shù)設(shè)計33-35
• 2.2.2 校核計算35-37
• 2.2.3 分析對比37-38
• 2.3 動力學(xué)方程配平計算38-41
• 2.4 線性化和特性分析41-48
• 2.4.1 線性化41-45
• 2.4.2 穩(wěn)定性和奇異值響應(yīng)分析45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-50
• 第3章 基于H_∞ 回路成形共軸雙旋翼無人直升機(jī)控制率設(shè)計50-64
• 3.1 理論基礎(chǔ)50-53
• 3.1.1 魯棒飛行控制算法總結(jié)50-51
• 3.1.2 H_∞ 回路成形理論基礎(chǔ)51-53
• 3.2 仿真性能分析53-62
• 3.2.1 控制策略設(shè)計53-55
• 3.2.2 加權(quán)矩陣系數(shù)選擇總結(jié)55-56
• 3.2.3 仿真結(jié)果分析56-62
• 3.3 本章小結(jié)62-64
• 第4章 低階參數(shù)化H_∞ 回路成形控制率研究64-72
• 4.1 理論基礎(chǔ)64-65
• 4.2 低階參數(shù)化H_∞ 回路成形控制65-67
• 4.3 仿真結(jié)果分析67-70
• 4.4 本章小結(jié)70-72
• 第5章 共軸雙旋翼無人直升機(jī)串級多回路控制結(jié)構(gòu)設(shè)計72-82
• 5.1 共軸雙旋翼無人直升機(jī)飛行控制結(jié)構(gòu)設(shè)計72-75
• 5.1.1 無人直升機(jī)典型控制系統(tǒng)72-74
• 5.1.2 共軸雙旋翼無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計74-75
• 5.2 子模塊控制器設(shè)計與分析75-80
• 5.2.1 速度子系統(tǒng)控制器設(shè)計76-77
• 5.2.2 高度和航向子模塊77-78
• 5.2.3 仿真結(jié)果分析78-80
• 5.3 本章小結(jié)80-82
• 第6章 控制算法飛行試驗(yàn)平臺的研究82-92
• 6.1 樣機(jī)研制82-84
• 6.2 算法驗(yàn)證飛行平臺篩選84-87
• 6.2.1 單旋翼飛行平臺84-86
• 6.2.2 四旋翼飛行平臺86-87
• 6.3 四旋翼無人機(jī)飛行平臺的建模與飛行測試87-91
• 6.3.1 機(jī)理建模87-90
• 6.3.2 飛行測試90-91
• 6.4 本章小結(jié)91-92
• 第7章 結(jié)論92-94
• 7.1 主要內(nèi)容及總結(jié)92-93
• 7.2 今后待研究問題93-94
• 參考文獻(xiàn)94-102
• 作者簡介及就讀期間取得科研成果102-104
• 攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目104-106
• 致謝106

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