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小型无人直升机建模及控制系统设计

作　者: 陈惠智
导　师: 李胜
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无人直升机 建模 数据采集 参数辨识 LQG H~∞
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


无人直升机由于其独特的飞行能力能够完成载人飞机和固定翼无人机无法完成的任务,成为了现代战争的重要组成部分,本文以航模直升机为基础,研究了无人直升机建模及控制系统设计。无人直升机模型具有非线性、强耦合、非定常、多输入多输出等特点,模型复杂度高。本文通过分析地面坐标系和机体坐标系之间的关系建立了无人直升机刚体方程组,通过研究旋翼的运动方式建立了旋翼挥舞角运动方程组,通过分析机体各部分(旋翼、尾桨、气动阻力、机身、尾翼)的受力,建立了力和力矩平衡方程组。最终建立了完整的无人直升机的非线性模型,并根据小扰动原理和泰勒定理对非线性模型进行线性化得到无人直升机的线性模型。建立的无人直升机模型中有部分参数未知,需要辨识得到,本文研究了基于数据和最小二乘法的参数辨识方法。首先设计了姿态数据采集系统,主要包括数字信号处理芯片、惯性测量单元、无线传输、GPS、数字罗盘的硬件设计和软件调试,获得手动飞行下的输入输出数据。然后分别研究了基于最小二乘法的无人直升机线性模型和非线性模型的辨识方法,并比较了两种方法的辨识结果。辨识得到模型各参数值后,论文研究了悬停状态下的姿态控制系统。分别设计了LQG控制器和基于卡尔曼滤波的H∞控制器,其中：LQG控制器是LQR和卡尔曼滤波器的结合,能有效处理系统的动态问题并实现高斯噪声的滤波；H∞控制器减小了建模误差和不可测扰动等不确定因素对控制性能的影响。最后通过仿真实验,验证了上述控制器的控制性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
1 绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 无人直升机研究现状  9-11
  1.3 无人直升机的关键技术  11-13
    1.3.1 无人直升机建模  11-12
    1.3.2 数据融合技术  12
    1.3.3 姿态控制技术  12-13
  1.4 论文主要研究内容及结构安排  13-15
2 无人直升机模型建立  15-29
  2.1 坐标系介绍  15-16
  2.2 坐标系转换  16-18
  2.3 刚体方程组  18-20
  2.4 旋翼挥舞方程组  20-23
  2.5 力和力矩平衡方程组  23-26
    2.5.1 旋翼力和力矩平衡方程组  23
    2.5.2 尾桨力和力矩平衡方程组  23-24
    2.5.3 气动阻力和力矩方程组  24
    2.5.4 机身力和力矩方程组  24-25
    2.5.5 尾翼力和力矩平衡方程组  25-26
  2.6 无人直升机线性化模型  26-27
  2.7 本章小结  27-29
3 无人直升机姿态数据采集系统设计  29-49
  3.1 模型直升机介绍  29-30
  3.2 姿态数据采集系统硬件设计  30-39
    3.2.1 数字信号处理芯片  31-36
    3.2.2 惯性测量单元  36-38
    3.2.3 无线传输模块  38
    3.2.4 GPS  38
    3.2.5 数字罗盘  38-39
  3.3 姿态数据采集系统软件设计  39-47
    3.3.1 系统初始化  39-40
    3.3.2 姿态数据无线传输  40-44
    3.3.3 GPS/数字罗盘数据采集  44-46
    3.3.4 惯性测量单元数据采集  46-47
  3.4 本章小结  47-49
4 无人直升机数据采集和系统辨识  49-63
  4.1 数据采集  49-51
  4.2 线性系统参数辨识  51-55
    4.2.1 最小二乘法参数辨识  51-53
    4.2.2 辨识过程和结果分析  53-55
  4.3 非线性系统参数辨识  55-62
    4.3.1 非线性最小二乘法  55-58
    4.3.2 辨识过程和结果分析  58-62
  4.4 本章小结  62-63
5 无人直升机姿态控制  63-79
  5.1 无人直升机模型线性化  63-64
  5.2 无人直升机LQG控制  64-71
    5.2.1 线性二次型状态反馈控制器  64-65
    5.2.2 卡尔曼滤波  65-67
    5.2.3 无人直升机LQG控制仿真  67-71
  5.3 无人直升机H~∞控制  71-78
    5.3.1 H~∞控制器  71-73
    5.3.2 基于卡尔曼滤波的H~∞控制器  73
    5.3.3 无人直升机H~∞控制器仿真  73-78
  5.4 本章小结  78-79
6 总结与展望  79-81
致谢  81-83
参考文献  83-87

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 飞行控制
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