四旋翼小型無人直升機(jī)自適應(yīng)逆控制研究.pdf

1、鑒于無人直升機(jī)無論在軍事還是民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，發(fā)達(dá)國(guó)家的許多公司、科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在對(duì)其進(jìn)行著相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。目前，美國(guó)、以色列、日本及西歐等國(guó)家在無人直升機(jī)的研發(fā)上處于國(guó)際領(lǐng)先地位。我國(guó)對(duì)于該領(lǐng)域的研究，由于起步較晚，與上述國(guó)家相比，還有比較明顯的差距。但是，作為高科技領(lǐng)域的頂尖產(chǎn)品，美國(guó)、日本及西歐等國(guó)家在該領(lǐng)域一直對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)格的產(chǎn)品禁運(yùn)和技術(shù)封鎖。有鑒于此，我國(guó)必須依靠自身的科研力量自主研發(fā)無人直升

2、機(jī)飛行控制系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)品。
　　本文以四旋翼小型無人直升機(jī)為研究對(duì)象，在建立其動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，首次將自適應(yīng)逆控制（Adaptive Inverse Control--AIC）方法運(yùn)用于四旋翼小型無人直升機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了小型四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定控制。為了有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差，對(duì)典型的AIC控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，大量的仿真和實(shí)飛試驗(yàn)表明，改進(jìn)的AIC控制器能夠較好地抑制擾動(dòng)、消除穩(wěn)態(tài)誤差，具有良好的控制效果。論文的主要工

3、作包括：
　?。?）四旋翼小型無人直升機(jī)系統(tǒng)建模四旋翼小型無人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的建立是設(shè)計(jì)其控制器的基礎(chǔ)。本文在詳細(xì)分析了四旋翼小型無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用葉素理論進(jìn)行了旋翼的基本動(dòng)力學(xué)分析；結(jié)合四旋翼小型無人直升機(jī)受力情況及操控方式，利用剛體理論和牛頓-歐拉定理推導(dǎo)出了四旋翼小型無人直升機(jī)的全量動(dòng)力學(xué)方程，并分析了其特點(diǎn)；同時(shí)，推導(dǎo)了控制旋翼旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)模型；最后，分別從力學(xué)角度、操控方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及模

4、型建立等方面分析了四旋翼小型無人直升機(jī)與傳統(tǒng)小型無人直開機(jī)的相似性和獨(dú)特性以及兩種直升機(jī)的飛行適用范圍。動(dòng)力學(xué)模型的建立為控制器設(shè)計(jì)以及控制方法向傳統(tǒng)直升機(jī)控制移植奠定了理論基礎(chǔ)。
　　（2）AIC理論及其在四旋翼小型無人直升機(jī)中的控制穩(wěn)定性研究對(duì)比分析了自適應(yīng)逆控制（Adaptive Inverse Control--AIC）方法與自適應(yīng)控制方法各自的特點(diǎn)，討論了自適應(yīng)逆控制方法的理論核心、描述了其三個(gè)組成模塊，詳細(xì)分析了適合A

5、IC控制的三種算法-最小均方誤差LMS算法、改進(jìn)型MNLMS算法和遞推最小二乘 RLS算法，并通過理論與仿真試驗(yàn)分析研究了其在四旋翼小型無人直升機(jī)控制系統(tǒng)中的收斂性及穩(wěn)定性。同時(shí)，討論了AIC方法在四旋翼小型無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，為后續(xù)章節(jié)控制器的設(shè)計(jì)及性能分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　（3）四旋翼小型無人直升機(jī)AIC控制器設(shè)計(jì)與魯棒性研究結(jié)合四旋翼小型無人直升機(jī)的模型特點(diǎn)，給出了適合于直升機(jī)的通道式AIC控制器結(jié)構(gòu)，通過迭

6、代方法實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)平移及姿態(tài)控制，并通過實(shí)驗(yàn)完成了通道分配。利用仿真試驗(yàn)分別比較了四旋翼小型無人直升機(jī)在理想情況下、控制信號(hào)有干擾、外界有側(cè)風(fēng)干擾以及綜合干擾（幾種干擾都存在）情況下，LMS、MNLMS和RLS算法的魯棒性能。經(jīng)過仿真控制試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)比分析得出了在室內(nèi)環(huán)境下，采用MNLMS算法比較合適；而在室外環(huán)境下，采用RLS算法則比較理想的結(jié)論。
　?。?）飛行控制系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分別從空中機(jī)載部分和地面基站部分兩個(gè)方

7、面詳細(xì)討論了四旋翼小型無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件實(shí)現(xiàn)，包括四旋翼小型無人直升機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、所需要的主要傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)及具體選型、機(jī)載控制系統(tǒng)主處理器的電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，詳細(xì)介紹了地面站以及無線通訊鏈路的組成及實(shí)現(xiàn)過程，并討論了機(jī)載系統(tǒng)以及地面站系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)流程與功能實(shí)現(xiàn)。
　?。?）實(shí)際飛行試驗(yàn)基于MNLMS算法，設(shè)計(jì)了室內(nèi)環(huán)境下懸停、“8”字飛行控制試驗(yàn)；基于RLS算法，設(shè)計(jì)了室外環(huán)境下懸停、巡線飛行以