基于預測控制的小型無人直升機自主飛行研究.pdf

1、直升機可以定點懸停、垂直起降,具有其它飛行器所不具有的突出優(yōu)點,廣泛應用在航拍、偵察等各個領域。小型無人直升機體積小、質(zhì)量輕、成本低、結構簡單,加載自主飛行控制系統(tǒng)以后還可以實現(xiàn)超視距飛行,能夠完成許多常規(guī)飛行器所不能完成的任務。研究開發(fā)無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。然而由于無人直升機本身是一個典型的欠驅(qū)動、強耦合、時變、有操縱滯后的非線性系統(tǒng),開發(fā)無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)是一個頗具挑戰(zhàn)性的任務。針對當前小型無人直

2、升機飛行控制研究中存在的問題,本文以一款單旋翼帶尾槳式小型航模直升機為研究對象,設計開發(fā)了一套基于顯式預測控制(EMPC)算法的小型無人直升機自主飛行控制系統(tǒng),并通過飛行試驗進行了實飛驗證。論文的主要工作如下：1)小型無人直升機建模和大型直升機相比,小型無人直升機沒有揮舞鉸,其主旋翼具有更強的剛性和更高的轉速,且主旋翼慣性效應非常明顯,因此在建模中不僅將機體視作剛體,還將主旋翼也視作剛體,采用雙剛體建模。論文以便于旋轉運動學線性化的Ya

3、w-Pitch-Roll(YPR,航向-俯仰-橫滾角)為歐拉角,采用便于計算機求解的Kane方法詳細推導了小型無人直升機的運動學方程和動力學方程,并對模型進行了分析和簡化。2)飛行控制器設計針對常規(guī)無人直升機控制器不能有效處理執(zhí)行器約束、輸出約束以及操縱滯后等問題,本文采用預測控制算法實現(xiàn)無人直升機的飛行控制。但傳統(tǒng)的預測控制需要在線優(yōu)化,因此需要較大的計算量。為此論文引入顯式預測控制算法。顯式預測控制算法將在線優(yōu)化問題離線化,在線計算

4、時只需要查找相應的控制區(qū)域,通過簡單的計算就可以得到控制量,因此非常適合嵌入式系統(tǒng)應用。小型無人直升機飛行控制器分為內(nèi)環(huán)和外環(huán),內(nèi)環(huán)完成姿態(tài)控制,外環(huán)實現(xiàn)位置、速度控制。論文采用EMPC算法完成了姿態(tài)控制器、速度控制器和位置控制器的設計。3)魯棒穩(wěn)定性研究直升機在飛行中常會受到各種干擾的影響,因此控制器的魯棒性就成為衡量控制器優(yōu)良的重要指標。為考察EMPC的魯棒穩(wěn)定性,論文研究了飛行控制器在控制信號有干擾、機體變質(zhì)量、外界風干擾等情況下

5、的魯棒穩(wěn)定性,并和PID控制器進行了對比分析。4)路徑跟蹤能力驗證為了驗證飛行控制器的路徑跟蹤能力,文中通過仿真實驗驗證了飛行控制器跟蹤矩形路徑和“8”字型路徑的能力。仿真實驗表明,相比PID控制EMPC控制器具有較好的路徑跟蹤能力。5)實飛試驗為驗證飛行控制器的實際飛行性能,論文首先對實飛試驗中需要知道的一些具體物理參數(shù)進行了辨識,然后在飛行實驗室內(nèi)進行了實飛試驗。實飛試驗表明,無人直升機姿態(tài)穩(wěn)定,其俯仰角的變化范圍在-2.9°~2.

6、9°以內(nèi),橫滾角的變化范圍在-2°~2°以內(nèi),航向角變化不超過-2.9°~4.6°；無人直升機位置控制精度良好,其縱、橫向通道位置精度達到0.15m,高度控制達到0.05m,完全可以滿足工程應用需要。6)轉向控制中的去耦問題針對直升機在轉向過程中影響平面運動控制精度的問題,論文采用補償算法對控制器進行了改進,并利用仿真和實飛試驗進行了驗證。仿真和實飛試驗都表明,改進的預測控制算法能夠較好的抑制這種耦合,具有較好的控制效果。圍繞小型無人直

7、升機控制器設計,本文從以上六個方面進行了研究,其主要貢獻包括：論文提出將顯式預測控制應用于6自由度小型無人直升機飛行控制；以YPR為歐拉角,采用Kane方法創(chuàng)建了小型無人直升機數(shù)學模型；基于所建模型和顯式預測控制算法設計了小型無人直升機姿態(tài)控制器、速度控制器和位置控制器；另外,對于轉向運動和平面運動之間的耦合論文還提出采用補償算法進行改進。論文通過仿真和實飛試驗驗證了算法的有效性,本文所提方法在理論上和應用上都具有一定的借鑒作用和參考價