四旋翼小型無人直升機自適應(yīng)逆控制研究.pdf

1、鑒于無人直升機無論在軍事還是民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用價值，發(fā)達國家的許多公司、科研機構(gòu)和大學(xué)都在對其進行著相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。目前，美國、以色列、日本及西歐等國家在無人直升機的研發(fā)上處于國際領(lǐng)先地位。我國對于該領(lǐng)域的研究，由于起步較晚，與上述國家相比，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、日本及西歐等國家在該領(lǐng)域一直對我國進行嚴(yán)格的產(chǎn)品禁運和技術(shù)封鎖。有鑒于此，我國必須依靠自身的科研力量自主研發(fā)無人直升

2、機飛行控制系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)品。
　　本文以四旋翼小型無人直升機為研究對象，在建立其動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，首次將自適應(yīng)逆控制（Adaptive Inverse Control--AIC）方法運用于四旋翼小型無人直升機控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了小型四旋翼無人直升機的姿態(tài)穩(wěn)定控制。為了有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差，對典型的AIC控制器結(jié)構(gòu)進行了改進，大量的仿真和實飛試驗表明，改進的AIC控制器能夠較好地抑制擾動、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：
　　（1）四旋翼小型無人直升機系統(tǒng)建模四旋翼小型無人直升機動力學(xué)模型的建立是設(shè)計其控制器的基礎(chǔ)。本文在詳細分析了四旋翼小型無人直升機的結(jié)構(gòu)和特點的基礎(chǔ)上，利用葉素理論進行了旋翼的基本動力學(xué)分析；結(jié)合四旋翼小型無人直升機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的全量動力學(xué)方程，并分析了其特點；同時，推導(dǎo)了控制旋翼旋轉(zhuǎn)的電動機驅(qū)動器動力學(xué)模型；最后，分別從力學(xué)角度、操控方式、機械結(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與傳統(tǒng)小型無人直開機的相似性和獨特性以及兩種直升機的飛行適用范圍。動力學(xué)模型的建立為控制器設(shè)計以及控制方法向傳統(tǒng)直升機控制移植奠定了理論基礎(chǔ)。
　?。?）AIC理論及其在四旋翼小型無人直升機中的控制穩(wěn)定性研究對比分析了自適應(yīng)逆控制（Adaptive Inverse Control--AIC）方法與自適應(yīng)控制方法各自的特點，討論了自適應(yīng)逆控制方法的理論核心、描述了其三個組成模塊，詳細分析了適合A

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

6、代方法實現(xiàn)了直升機平移及姿態(tài)控制，并通過實驗完成了通道分配。利用仿真試驗分別比較了四旋翼小型無人直升機在理想情況下、控制信號有干擾、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)過仿真控制試驗進一步對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)計與實現(xiàn)分別從空中機載部分和地面基站部分兩個方

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