本文關鍵詞：三自由度直升機系統(tǒng)設計及控制方法研究

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【摘要】：隨著直升機在軍、民多領域越來越廣泛的應用,相應的飛行器控制理論也日益受到國內外研究者的重視。但直升機本身具有成本高、實驗代價大的特性,基于安全、經濟等方面的考慮,可將其簡化為模型進行飛行仿真,為飛行器理論和技術的研究提供更為便捷的途徑。三自由度直升機就是一種模擬直升機運動的仿真模型,它具有多輸入多輸出、耦合性、非線性等特點。該模型可方便地實現(xiàn)對飛行器控制理論與算法的半實物仿真驗證。本文搭建了一種三自由度直升機實驗平臺,構建了其機械結構和嵌入式控制系統(tǒng),設計了PID控制器對三自由度直升機的俯仰軸、橫側軸和旋轉軸的姿態(tài)和速度進行控制,探索了神經網絡自適應控制器在三自由度直升機的俯仰軸控制上的應用,主要研究內容有：(1)首先制訂了三自由度直升機的總體技術方案,采用模塊化設計思想對基座、旋轉軸、俯仰軸、橫側軸等部分進行設計。介紹了三自由度直升機的加工與集成調試過程,然后基于測試與計算結果分別對系統(tǒng)的俯仰軸、橫側軸、旋轉軸三個軸進行數(shù)學建模。(2)構建了三自由度直升機的嵌入式電控系統(tǒng),主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、電機控制模塊、下位機及上位機。數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器包含增量式編碼器以及MPU6050上集成的陀螺儀與加速度計傳感器,可以實現(xiàn)三自由度直升機的旋轉軸、俯仰軸和橫側軸的數(shù)據(jù)采集�；诖谕ㄐ旁O計了控制芯片與上位機之間的通信協(xié)議。同時研究實現(xiàn)了系統(tǒng)中直流電機的PWM控制。(3)基于VC++平臺設計了上位機檢測與控制軟件,上位機通過串口通訊采集三自由度直升機各軸的姿態(tài)和速度,上位機軟件集成了多種控制功能,包括啟動、停止、設置直升機姿態(tài)、調試控制算法的參數(shù)等。在上位機軟件上還可以以兩種方式實時顯示俯仰角、橫側角與旋轉速度,分別可觀察控制的整體效果以及一段時間的控制狀態(tài)。(4)研究了俯仰軸、橫側軸和旋轉軸的PID控制算法,并使用MATLAB對輸入為階躍信號的系統(tǒng)進行了仿真,得到仿真結果,并在三自由度直升機實驗平臺上對其進行三軸聯(lián)動的驗證,結果表明系統(tǒng)基本得到控制。(5)最后研究了神經網絡自適應控制算法的原理與結構,設計了三自由度直升機俯仰軸系統(tǒng)的神經網絡自適應控制器,并進行了實驗驗證。通過與PID控制器的結構進行對比,發(fā)現(xiàn)：雖然PID控制器能基本實現(xiàn)俯仰軸系統(tǒng)的控制,但控制過程中存在不斷增大的穩(wěn)態(tài)誤差、且響應速度較慢,而所設計的神經網絡自適應控制器改進了控制效果,降低了穩(wěn)態(tài)誤差,且精確性與快速性也都有所提高。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V275.1;V249

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