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小型无人直升机飞行控制系统研究与实现

作　者: 张治炀
导　师: 胡飞
学　校: 上海交通大学
专　业: 软件工程
关键词: 小型无人直升机 飞行控制系统 比例-积分-微分控制 模型反解算 空气动力学模型
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


小型无人直升机具有高灵敏度、高准确性,飞行灵活、可以垂直起降,可空中悬停等特点,而且在飞行过程中安全可靠。相比于其它类型的无人飞机,小型无人直升机具有体积小、重量轻、能够适应复杂多变的环境等优势[1][2]。凭借自身的特性,小型无人直升机在民用和军用方面都有着广泛的应用。本论文对小型无人直升机的飞行控制方法进行了研究,并通过大量的仿真实验、以及真实飞行实验对所设计的飞行控制方法进行了验证。本论文的主要研究内容如下:(1)对小型无人直升机进行了数学建模,在卡内基梅隆大学所建立的Yamaha R50型直升机数学模型基础上,根据我们所采用的TREX 450SE型无人直升机的物理特性,建立了TREX 450SE型无人直升机的十一阶数学模型。(2)基于经典PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法,设计了小型无人直升机飞行控制系统。整个控制系统从内到外依次分为三个控制回路:内环姿态控制回路,中环速度控制回路和外环位置控制回路。其中每个控制回路均采用PID控制算法进行实现。控制算法能控制直升机完成起飞、悬停、降落等动作,并具有良好的稳定性。(3)设计了一种基于小型无人直升机近似数学模型进行动态逆解算的小型直升机自主飞行控制算法,该飞行控制算法由于加入了直升机的数学模型,因此相对于基于PID的控制算法,在系统响应时间、控制精度、稳定性等方面都有着明显的改善。同时,该飞行控制算法对控制参数的依赖也相对较小,具有良好的适应性。(4)在PC 104板载计算机上,基于Linux平台,设计并实现了机载的飞行控制率计算软件。(5)设计并实现了真实的直升机室内飞行实验,飞行实验验证了飞行控制系统设计的正确性。本文所研究的小型无人直升机自主飞行控制方法,为可自主飞行小型无人直升机的研制创造了良好的基础。本文所设计的飞行控制方法,已经能够成功控制TREX 450SE小型无人直升机在室内完成自动起飞、定点悬停和自动降落等飞行任务,而且具有良好的控制精度、稳定性和响应时间。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
1. 绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 论文研究目标  12-13
  1.3 可自主飞行小型无人直升机系统结构  13
  1.4 国内外研究现状  13-18
    1.4.1 卡内基梅隆大学 Carnegie Mellon University（CMU）  14
    1.4.2 麻省理工学院 Massachusetts Institute of Technology（MIT）  14-15
    1.4.3 斯坦福大学(Stanford)  15-16
    1.4.4 加州大学伯克利分校(UC Berkeley)  16-17
    1.4.5 佐治亚理工学院 Georgia Institute of Technology (Gatech)  17
    1.4.6 东京工业大学 Tokyo Institute of Technology  17-18
  1.5 论文结构  18-19
  1.6 本章小结  19-20
2. 相关技术介绍  20-27
  2.1 小型无人直升机基本结构和原理  20-21
  2.2 小型无人直升机数学模型  21-26
    2.2.1 坐标系  22-24
    2.2.2 直升机力学模型  24-26
  2.3 本章小结  26-27
3. 基于PID控制算法的控制系统设计  27-39
  3.1 经典PID控制算法  27-28
  3.2 控制结构设计  28-33
    3.2.1 内环：姿态控制器  28-31
    3.2.2 中环：速度控制器  31-32
    3.2.3 外环：位置控制器  32-33
  3.3 仿真实验和分析  33-38
    3.3.1 仿真实验平台  33-34
    3.3.2 仿真实验分析  34-38
  3.4 本章小结  38-39
4. 基于直升机数学模型反解算的飞行控制算法设计  39-52
  4.1 飞行控制算法总体结构  39-40
  4.2 内环姿态控制器  40-42
  4.3 速度控制器  42-45
  4.4 位置控制器  45-46
  4.5 仿真实验及数据分析  46-51
  4.6 本章小结  51-52
5. 飞行控制系统设计与实现  52-59
  5.1 软件需求分析  52-53
  5.2 软件总体结构  53-55
  5.3 飞行控制算法的设计与实现  55-58
  5.4 本章小结  58-59
6. 室内飞行实验验证  59-65
  6.1 室内飞行实验环境  59-60
  6.2 室内飞行实验及数据分析  60-64
    6.2.1 单通道控制实验  60-62
    6.2.2 综合控制实验  62-64
  6.3 本章小结  64-65
7. 本文总结与展望  65-67
  7.1 本文总结  65
  7.2 未来工作展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
攻读学位期间发表的学术论文目录  71

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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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