本文關鍵詞：共軸雙旋翼無人直升機建模與控制算法研究

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【摘要】：旋翼無人直升機在環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)機械化、地質勘查、物流和智能化軍事等領域具有巨大的平臺應用潛力。獨特的懸停低速飛行能力使其在執(zhí)行定點、精準和詳查任務時比固定翼無人機更具優(yōu)勢。共軸雙旋翼布局形式的無人直升機在長航時、高速度和重載荷需求時更具實用潛力,逐漸引起了國內外科研人員的研究熱情和投入。國內共軸旋翼無人直升機存在研究起步晚、投入力度低和研究基礎薄弱等問題,且現有共軸雙旋翼直升機是從蘇聯整機引進。目前,國內該類機型在改造和升級中遇到了極大的技術難題,特別是在整機建模和飛行控制領域存在嚴重研究不足的情況。同類機型與國外研究相比存在巨大差距。因此,開展共軸雙旋翼無人直升機建模和飛控算法的研究是極其迫切和必要的。本文依托“十二五規(guī)劃”“國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)”“重載荷智能化物探專用無人直升機研制”(2013AA063903),對共軸雙旋翼無人直升機建模和控制算法展開了研究,為搭載、改造和升級提供理論和技術指導。為提高飛控系統(tǒng)處理非線性、強耦合和多不確定性共軸雙旋翼無人直升機飛行穩(wěn)定性提供理論和技術支撐,彌補共軸雙旋翼無人直升機在整機建模和飛控算法研究中存在的不足;降低樣機研制成本和縮短項目研制周期,為高速、高載荷和高機動復合式旋翼無人直升機提供技術儲備。建模方面,國內外研究者主要集中在共軸雙旋翼氣動性能分析和優(yōu)化設計,存在樣機模型建模不完整和不系統(tǒng)的問題。同時雙旋翼之間非線性、高不確定性和強耦合等空氣動力學特性,增加了整機建模的難度。飛行控制算法方面,PID、魯棒、自適應和神經網絡等控制算法雖然已被成功應用于單旋翼直升機等飛行器,但缺少針對共軸雙旋翼無人直升機飛行控制算法的研究。共軸雙旋翼無人直升機具有模型復雜度高、不確定性多和耦合性強等特點,造成了大多數飛行控制算法難以保證飛行魯棒穩(wěn)定性和高水平飛行性能。飛行控制系統(tǒng)工程化應用方面,不僅包括控制算法,而且還涵蓋飛行控制策略、飛行控制結構和算法工程易實施性等問題。研究內容主要包括:(1)針對共軸雙旋翼無人直升機缺乏整機建模的情況,采用模塊化建模思想進行了系統(tǒng)化的樣機建模。該方法涵蓋了部件機理建模、動力學方程配平計算、非線性方程線性化和動態(tài)特性分析等共軸雙旋翼無人直升機建模關鍵部分。以旋翼機設計經驗參數為參考,設計了參數合理化校核流程,完成了整機建模,形成了基于模塊化思想的系統(tǒng)化共軸雙旋翼無人直升機建模方法。(2)針對非線性、高復雜度和高不確定性共軸雙旋翼無人機直升機飛控算法研究不足的問題,提出了將H_∞回路成形算法應用于飛行控制器設計�；谄娈愔淀憫蚏GA(相對增益排列)原理,提出了一種共軸雙旋翼無人直升機的飛行控制策略。推導了H_∞回路成形實現過程,完成了共軸雙旋翼無人直升機飛行控制器的設計,仿真試驗證明了閉環(huán)系統(tǒng)能在一定不確定性干擾下保證模型的魯棒穩(wěn)定性,同時具有良好的解耦和階躍響應特性。(3)針對經典H_∞回路成形控制器階數偏高和性能指標調節(jié)不靈活的問題,提出了基于線性矩陣不等式的低階參數化H_∞回路成形控制算法,推導和證明了算法的穩(wěn)定性條件。以姿態(tài)子模塊為對象,與經典H_∞回路成形進行了仿真對比,驗證了所提算法在減少控制器階數和靈活設計性能指標的有效性。(4)針對多輸入多輸出共軸雙旋翼無人直升機飛控系統(tǒng)工程化應用的問題,分析總結了典型無人直升機飛行控制結構,根據模型奇異值響應特性,提出了“串級雙層三模塊”的飛行控制結構。子模塊采用經典H_∞回路成形、基于LMI的H_∞回路成形和本文所提算法,并分別進行仿真對比分析,進而與采用H_∞回路成形的全階控制結構的階躍響應進行了對比分析。在魯棒穩(wěn)定性、飛行性能指標和控制算法工程易實施性等綜合考慮下,最終確定內層采用經典H_∞回路成形和外層采用所提算法的飛行控制系統(tǒng)。(5)飛行控制算法驗證測試平臺方面,通過實際組裝、測試飛行單旋翼和四旋翼無人機,確定了四旋翼無人機為試驗測試平臺,以降低試驗測試成本和風險。通過分析四旋翼無人機懸停下動態(tài)特性,證明了四旋翼測試平臺具備測試飛行控制算法的能力。創(chuàng)新點:(1)基于模塊化思想,系統(tǒng)化的建立了共軸雙旋翼無人直升機整機動力學模型,涵蓋了部件機理建模、動力學方程配平計算、非線性方程線性化和動態(tài)特性分析等關鍵部分。(2)將H_∞回路成形算法首先應用于共軸雙旋翼無人直升機飛行控制,提高了飛控系統(tǒng)的魯棒性。(3)提出了低階參數化H_∞回路成形控制算法,有效減少了控制器階數。(4)構建了串級雙層三模塊的共軸雙旋翼無人直升機飛行控制系統(tǒng)結構,性能良好,降低了控制器工程實施復雜度。
【關鍵詞】：旋翼無人機 共軸雙旋翼 魯棒控制 不確定性 線性矩陣不等式
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V275.1;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 研究背景14
• 1.2 研究現狀14-23
• 1.2.1 國外研究現狀14-16
• 1.2.2 國內研究現狀16-19
• 1.2.3 建模研究現狀19-21
• 1.2.4 控制算法研究現狀21-23
• 1.3 理論基礎23-25
• 1.3.1 建�；纠碚�23-24
• 1.3.2 控制基本理論24-25
• 1.4 研究內容25-26
• 1.5 本章小結26-28
• 第2章 共軸雙旋翼無人直升機數學建模28-50
• 2.1 建模28-33
• 2.2 參數設計及校核計算33-38
• 2.2.1 參數設計33-35
• 2.2.2 校核計算35-37
• 2.2.3 分析對比37-38
• 2.3 動力學方程配平計算38-41
• 2.4 線性化和特性分析41-48
• 2.4.1 線性化41-45
• 2.4.2 穩(wěn)定性和奇異值響應分析45-48
• 2.5 本章小結48-50
• 第3章 基于H_∞ 回路成形共軸雙旋翼無人直升機控制率設計50-64
• 3.1 理論基礎50-53
• 3.1.1 魯棒飛行控制算法總結50-51
• 3.1.2 H_∞ 回路成形理論基礎51-53
• 3.2 仿真性能分析53-62
• 3.2.1 控制策略設計53-55
• 3.2.2 加權矩陣系數選擇總結55-56
• 3.2.3 仿真結果分析56-62
• 3.3 本章小結62-64
• 第4章 低階參數化H_∞ 回路成形控制率研究64-72
• 4.1 理論基礎64-65
• 4.2 低階參數化H_∞ 回路成形控制65-67
• 4.3 仿真結果分析67-70
• 4.4 本章小結70-72
• 第5章 共軸雙旋翼無人直升機串級多回路控制結構設計72-82
• 5.1 共軸雙旋翼無人直升機飛行控制結構設計72-75
• 5.1.1 無人直升機典型控制系統(tǒng)72-74
• 5.1.2 共軸雙旋翼無人直升機結構設計74-75
• 5.2 子模塊控制器設計與分析75-80
• 5.2.1 速度子系統(tǒng)控制器設計76-77
• 5.2.2 高度和航向子模塊77-78
• 5.2.3 仿真結果分析78-80
• 5.3 本章小結80-82
• 第6章 控制算法飛行試驗平臺的研究82-92
• 6.1 樣機研制82-84
• 6.2 算法驗證飛行平臺篩選84-87
• 6.2.1 單旋翼飛行平臺84-86
• 6.2.2 四旋翼飛行平臺86-87
• 6.3 四旋翼無人機飛行平臺的建模與飛行測試87-91
• 6.3.1 機理建模87-90
• 6.3.2 飛行測試90-91
• 6.4 本章小結91-92
• 第7章 結論92-94
• 7.1 主要內容及總結92-93
• 7.2 今后待研究問題93-94
• 參考文獻94-102
• 作者簡介及就讀期間取得科研成果102-104
• 攻讀學位期間參與的科研項目104-106
• 致謝106

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