本文關(guān)鍵詞：三自由度直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法研究

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【摘要】：隨著直升機(jī)在軍、民多領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,相應(yīng)的飛行器控制理論也日益受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。但直升機(jī)本身具有成本高、實(shí)驗(yàn)代價(jià)大的特性,基于安全、經(jīng)濟(jì)等方面的考慮,可將其簡(jiǎn)化為模型進(jìn)行飛行仿真,為飛行器理論和技術(shù)的研究提供更為便捷的途徑。三自由度直升機(jī)就是一種模擬直升機(jī)運(yùn)動(dòng)的仿真模型,它具有多輸入多輸出、耦合性、非線性等特點(diǎn)。該模型可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器控制理論與算法的半實(shí)物仿真驗(yàn)證。本文搭建了一種三自由度直升機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),構(gòu)建了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和嵌入式控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了PID控制器對(duì)三自由度直升機(jī)的俯仰軸、橫側(cè)軸和旋轉(zhuǎn)軸的姿態(tài)和速度進(jìn)行控制,探索了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器在三自由度直升機(jī)的俯仰軸控制上的應(yīng)用,主要研究?jī)?nèi)容有：(1)首先制訂了三自由度直升機(jī)的總體技術(shù)方案,采用模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)基座、旋轉(zhuǎn)軸、俯仰軸、橫側(cè)軸等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。介紹了三自由度直升機(jī)的加工與集成調(diào)試過(guò)程,然后基于測(cè)試與計(jì)算結(jié)果分別對(duì)系統(tǒng)的俯仰軸、橫側(cè)軸、旋轉(zhuǎn)軸三個(gè)軸進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。(2)構(gòu)建了三自由度直升機(jī)的嵌入式電控系統(tǒng),主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、電機(jī)控制模塊、下位機(jī)及上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器包含增量式編碼器以及MPU6050上集成的陀螺儀與加速度計(jì)傳感器,可以實(shí)現(xiàn)三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸、俯仰軸和橫側(cè)軸的數(shù)據(jù)采集�；诖谕ㄐ旁O(shè)計(jì)了控制芯片與上位機(jī)之間的通信協(xié)議。同時(shí)研究實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中直流電機(jī)的PWM控制。(3)基于VC++平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)檢測(cè)與控制軟件,上位機(jī)通過(guò)串口通訊采集三自由度直升機(jī)各軸的姿態(tài)和速度,上位機(jī)軟件集成了多種控制功能,包括啟動(dòng)、停止、設(shè)置直升機(jī)姿態(tài)、調(diào)試控制算法的參數(shù)等。在上位機(jī)軟件上還可以以兩種方式實(shí)時(shí)顯示俯仰角、橫側(cè)角與旋轉(zhuǎn)速度,分別可觀察控制的整體效果以及一段時(shí)間的控制狀態(tài)。(4)研究了俯仰軸、橫側(cè)軸和旋轉(zhuǎn)軸的PID控制算法,并使用MATLAB對(duì)輸入為階躍信號(hào)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,得到仿真結(jié)果,并在三自由度直升機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)的驗(yàn)證,結(jié)果表明系統(tǒng)基本得到控制。(5)最后研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法的原理與結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了三自由度直升機(jī)俯仰軸系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)與PID控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)：雖然PID控制器能基本實(shí)現(xiàn)俯仰軸系統(tǒng)的控制,但控制過(guò)程中存在不斷增大的穩(wěn)態(tài)誤差、且響應(yīng)速度較慢,而所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器改進(jìn)了控制效果,降低了穩(wěn)態(tài)誤差,且精確性與快速性也都有所提高。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V275.1;V249

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