基于非線性模型的無人直升機自動飛行控制方法研究.pdf

1、無人直升機因其獨特的飛行特點而具有日益重要的軍事和民用價值。小型無人直升機加載自動飛行控制系統(tǒng)以后可以實現(xiàn)超視距飛行，能夠完成許多常規(guī)飛行器所不能完成的任務。研究開發(fā)無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義，然而由于無人直升機本身是一個典型的不穩(wěn)定、強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，開發(fā)無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)一直是一個頗具挑戰(zhàn)性的任務。針對當前飛行控制研究中存在的問題，以一款單旋翼帶尾槳式微型航模直升機(“雷虎90”)為研究對象，設

2、計出一套融合了狀態(tài)相關黎卡提方程(SDRE)和非線性前饋補償技術的控制算法，并進行了試飛驗證。本研究主要內容包括：
　　 ⑴SDRE控制理論研究。對SDRE控制方法做理論方面的系統(tǒng)闡述。針對目前SDRE研究的三個重點方向，即全狀態(tài)反饋理論、非線性觀測器和SDRE的數(shù)值解給出了研究成果。
　　 ⑵無人直升機非線性數(shù)學建模及特性分析。根據(jù)表征直升機運動的三大組成部分(主旋翼揮舞、姿態(tài)運動和軌跡運動)狀態(tài)變化速率差異很大的現(xiàn)實

3、情況，將無人直升機整體非線性數(shù)學模型進行分解，對主旋翼揮舞、姿態(tài)運動和軌跡運動分別建模，得出一組適用于SDRE控制的仿射非線性規(guī)范模型，并對模型中影響狀態(tài)變量運動的主、次要因素進行數(shù)值分析，證明了規(guī)范模型的合理性。
　　 ⑶無人直升機姿態(tài)控制器設計。對SDRE方法在理論方面進行拓展，結合李亞普諾夫穩(wěn)定性理論設計出能夠實現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定的SDRE姿態(tài)控制器，給出了證明過程和姿態(tài)控制系統(tǒng)結構框圖。另外，還對非線性前饋補償技術、主旋翼轉

4、速(Ω)和主旋翼揮舞角(αf，bf)的在線估計問題進行了研究，給出了仿真研究結果。
　　 ⑷無人直升機軌跡控制器設計。運用SDRE方法結合非線性前饋補償技術設計了三軸速度(u，v，w)控制器，給出速度控制系統(tǒng)結構框圖。由于速度控制實現(xiàn)了解耦，三維坐標位置(x，y，z)的控制采用傳統(tǒng)。PID方法。仿真結果證明了控制器的有效性。
　　 ⑸控制器性能試飛驗證。在已有理論研究和仿真分析成果的基礎上，開發(fā)了無人直升機自主飛行控制系