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用于航拍的小型无人直升机增稳实验系统设计及控制算法研究

作　者: 罗景文
导　师: 邵建龙
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: MATLAB 小型无人直升机单片机传感器模糊PID控制增稳
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

小型无人直升机广泛应用在国防建设和国民经济建设中,小型无人直升机由于其自身的特点和广泛的应用领域,目前世界主要发达国家都在对其积极进行研究,我国对此研究则比较落后。用于航拍的小型无人直升机研制的最大难点在于飞行姿态的自动稳定控制。直升机在飞行中,有六个空间自由度,其平衡都是由旋翼旋转产生的升力面的矢量分量和尾翼产生的力矩来进行控制,其控制难度远大于固定翼飞行器。本文提出了一种通过实验确定增稳系统算法和控制的方法,以及实现这一方法的增稳试验用软硬件系统。该系统由机载部分和地面系统两部分组成。机载部分包括升降、副翼舵机接收机信号采集；俯仰、倾斜信号误差信号的采集；校正信号计算；升降、副翼舵机控制输出信号；遥测信号输出,无线数据传输。地面部分由无线数据传输模块和计算机组成硬件,以及用Delphi开发的应用软件所组成,实现数据接收、计算、数值显示和图形显示等功能。本文还在MATLAB环境下对所构建的小型无人直升机增稳控制系统进行了Simulink模型的仿真,分析了控制效果。为了能够检测直升机的姿态并能够进行增稳控制研究,本文构建了一个以微机电传感器为基础、使用单片机控制的小型无人直升机增稳实验系统平台。本文首先研究了用单片机采集倾角传感器和磁阻传感器的信号并将数据传输给PC机,通过采集倾角传感器、磁阻传感器、GPS模块信号,将直升机飞行俯仰、倾斜、航向、位置等数值,由单片机传输到PC机,由PC机对数据进行分析处理并存储到数据库。其次研究了在MATLAB7.01环境下,对小型无人直升机增稳控制系统的Simulink模型进行了仿真。针对先进控制理论的研究与工程具体实现存在的距离,增稳实验系统根据实际应用需要,不要求直升机做复杂动作,也不要求直升机快速动作,而是要求它能平稳飞行,提供稳定的视频图像,舍去快速响应而实现稳定的飞行姿态,因此不建立复杂的直升机高阶模型,并用自适应模糊PID控制算法来实现增稳控制。本文利用S函数对自适应模糊PID控制算法进行编程,更好地达到实时控制的目的。地面联机测试表明,增稳试验系统能够准确地采集遥控接收机的控制信号和倾斜、俯仰信号,并传输试验所需数据,地面站的图形和数据显示正常；在MATLAB环境下的仿真表明,利用自适应模糊PID控制算法对小型无人直升机飞行姿态进行增稳控制是可行的。本课题研究初步完成了小型无人直升机飞行姿态增稳控制系统的设计,为实现无人直升机的增稳控制奠定了基础。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 小型无人直升机增稳控制系统的研究意义  9-11
  1.2 小型无人直升机增稳控制系统国内外研究状况  11-13
  1.3 本课题研究内容  13
  1.4 本论文主要内容  13-15
第二章小型无人直升机动力学模型研究  15-28
  2.1 直升机飞行机理介绍  15-18
    2.1.1 旋翼切面原理  15-16
    2.1.2 悬停与垂直飞行、前向、侧向飞行  16
    2.1.3 旋翼的挥舞运动  16-17
    2.1.4 模型直升机的特点  17-18
  2.2 小型无人直升机数学模型的建立  18-27
    2.2.1 本课题所研究的GF-10B模型直升机  18-19
    2.2.2 小型无人直升机的数学建模  19-21
    2.2.3 小型无人直升机动力学方程组推导  21-23
    2.2.4 小型无人直升机运动学方程组的建立  23-26
    2.2.5 小型无人机数学模型的配平及线性化  26
    2.2.6 小型无人机运动方程的状态空间表达式  26-27
  2.3 本章小结  27-28
第三章小型无人直升机增稳控制实验系统设计  28-46
  3.1 小型无人直升机增稳控制实验系统构建  28-32
    3.1.1 小型无人直升机增稳控制实验系统的硬件结构  29-30
    3.1.2 小型无人直升机增稳实验系统原理图及硬件实现  30-32
  3.2 机载部分  32-41
    3.2.1 小型无人直升机倾斜/俯仰角的检测  33-34
    3.2.2 小型无人直升机方位角的检测  34-38
    3.2.3 GPS模块  38-39
    3.2.4 升降、副翼舵机接收机信号采集  39-40
    3.2.5 升降、副翼舵机控制输出信号  40
    3.2.6 校正信号计算  40
    3.2.7 遥测信号输出  40-41
  3.3 地面系统部分  41-45
    3.3.1 串口通信  41-42
    3.3.2 数值显示  42
    3.3.3 图形显示  42-43
    3.3.4 无线数据传输  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章机载系统单片机系统编程  46-61
  4.1 STC12C5410AD处理器  46
  4.2 STC12C5410AD单片机编程  46-55
    4.2.1 倾斜俯仰及方位检测A/D转换编程  46-49
    4.2.2 PCM及定时器编程  49-51
    4.2.3 通过串口向地面站传输编程  51-54
    4.2.4 系统调试ISP编程  54-55
  4.3 通信协议的定义  55-57
  4.4 Keil C51开发  57-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章小型无人直升机悬停状态控制器设计与Matlab仿真  61-75
  5.1 小型无人直升机悬停状态数学模型  61-63
    5.1.1 悬停状态无人直升机控制的主要问题  61-62
    5.1.2 小型无人直升机俯仰通道的数学模型  62-63
  5.2 小型无人直升机智能PID控制算法  63-68
    5.2.1 小型无人直升机增稳控制算法  63-64
    5.2.2 PID控制算法  64-65
    5.2.3 模糊控制  65-66
    5.2.4 智能PID控制  66-68
    5.2.5 小型无人直升机智能PID控制的定性分析  68
  5.3 小型无人直升机自适应模糊PID控制器Matlab仿真  68-74
    5.3.1 MATLAB仿真工具简介  68-70
    5.3.2 小型无人直升机悬停状态控制器结构  70
    5.3.3 模糊控制器控制规则表  70-72
    5.3.4 仿真及结果分析  72-74
  5.4 本章小结  74-75
第六章基于S-函数的小型无人直升机增稳控制器设计与仿真  75-89
  6.1 S-函数及其应用  75-76
  6.2 S-函数的基本结构  76-77
    6.2.1 S-函数的引导语句  76
    6.2.2 S-函数参数引入和调用  76-77
    6.2.3 S-函数模板  77
  6.3 纵向姿态控制系统方案  77-83
    6.3.1 俯仰角控制律设计  80-82
    6.3.2 俯仰角控制律的仿真  82-83
  6.4 横向姿态控制系统方案  83-87
    6.4.1 滚转角控制律设计  84-86
    6.4.2 滚转角控制律仿真  86-87
  6.5 本章小结  87-89
第七章结果与展望  89-93
  7.1 系统测试结果  89-91
  7.2 进一步研究与展望  91-93
致谢  93-94
参考文献  94-99
附录A 攻读硕士学位期间发表论文及参与科研工作  99

用于航拍的小型无人直升机增稳实验系统设计及控制算法研究

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