飛行機器人的建模和控制.pdf

1、摘要竺，巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴里巴巴二摘要飛行機器人是一個極具挑戰(zhàn)性的多學(xué)科交叉的前沿性研究課題。近年來，隨著微電子技術(shù)特別是低價位的基于慣性測量元件的GPSIINS小型捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，小型無人直升機這種具有垂直起降和懸停功能的廉價飛行機器人在除軍事目的以外的民用領(lǐng)域獲得了初步應(yīng)用。正是基于在民用領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，本課題應(yīng)運而生。小型無人直升機要成為名副其實的具有自主能力的“飛行機器人”，必須具有性能卓越的飛行控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)的

2、設(shè)計往往依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因此，木文的主要研究內(nèi)容是小型無人直升機的數(shù)學(xué)建模及其飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文重點分析了小型無人直升機與常規(guī)直升機的差異之處，包括其操縱機構(gòu)所特有的flybar和BellHiller混合器結(jié)構(gòu)，及其快速的動態(tài)響應(yīng)特性和高度的不穩(wěn)定性。然后針對差異之處進行了重點建模，給出了兩種主旋翼和fl沙a:混合旋翼系統(tǒng)的揮舞運動方程并對主旋翼的入流和尾跡做出合理的假設(shè)，給出了尾跡的簡化建模方法。通過一系列的分析和研究，最

3、終給出了針對小型無人直升機的實用的低階飛行動力學(xué)模型。該模型最大的優(yōu)點是:大部分參數(shù)可以直接測量得到，某些參數(shù)只需要通過簡單的飛行試驗即可估計得到，并不需要專門的系統(tǒng)辨識技術(shù)。基于所建立的小型無人直升機數(shù)學(xué)模型，本文數(shù)值仿真了樣例機對操縱輸入的動態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果反映出的小型無人直升機運動趨勢是合理、正確的，初步證明了該模型能夠刻畫小型無人直升機動態(tài)響應(yīng)的基本特征，所建模型具有一定的精度。該仿真結(jié)果在課題研究的下一階段還可用來與飛行試驗測

4、得的數(shù)據(jù)進行比較，以驗證數(shù)學(xué)模型的正確性，并調(diào)校模型參數(shù)?；诮⒌臄?shù)學(xué)模型，在完成小型無人直升機非線性數(shù)學(xué)模型配平及線性化的工作后，本文分別采用線性控制系統(tǒng)設(shè)計方法LQR和非線性控制系統(tǒng)設(shè)計方法Gainscheduling為小型無人直升機設(shè)計了飛行控制系統(tǒng)，并通過數(shù)值仿真對控制系統(tǒng)的性能進行了分析和比較。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的飛行控制系統(tǒng)能夠滿足指令跟蹤、姿態(tài)控制和抗干擾等飛行性能要求。關(guān)鍵詞飛行機器人數(shù)學(xué)建模揮舞運動非線性系統(tǒng)飛行控制

5、系統(tǒng)ABSTRACTthesesimulationresultscanbeusedcomparedwithdatacollectedfromflighttestexperimentstovalidatethemodelcorrectnessoradjustthemodelparametersHavingcompletedthetrimcalculationinsteadystraightlevelflightandlinearizati

6、onforthenonlinearmathematicalmodelofsmallscalehelicopterthispaperdesignedflightcontrolsystemsforsmall一scalehelicopterrespectivelyusinglinearcontrolsystemdesignalgorithmLQRandnonlinearcontrolsystemdesignalgorithmGainsched

7、uling.Theperformanceofflightcontrolsystemissimulatedandanalyzed.Thesimulationresultshowthattheflightcontrolsystemdesignedcansatisfytheflightperformancerequirementssuchascommandtrackingattitudecontrolanddisturbancerejecti