基于預(yù)測(cè)控制的小型無(wú)人直升機(jī)自主飛行研究.pdf

1、直升機(jī)可以定點(diǎn)懸停、垂直起降,具有其它飛行器所不具有的突出優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在航拍、偵察等各個(gè)領(lǐng)域。小型無(wú)人直升機(jī)體積小、質(zhì)量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加載自主飛行控制系統(tǒng)以后還可以實(shí)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(wù)。研究開發(fā)無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而由于無(wú)人直升機(jī)本身是一個(gè)典型的欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合、時(shí)變、有操縱滯后的非線性系統(tǒng),開發(fā)無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。針對(duì)當(dāng)前小型無(wú)人直

2、升機(jī)飛行控制研究中存在的問(wèn)題,本文以一款單旋翼帶尾槳式小型航模直升機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于顯式預(yù)測(cè)控制(EMPC)算法的小型無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng),并通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)飛驗(yàn)證。論文的主要工作如下：1)小型無(wú)人直升機(jī)建模和大型直升機(jī)相比,小型無(wú)人直升機(jī)沒(méi)有揮舞鉸,其主旋翼具有更強(qiáng)的剛性和更高的轉(zhuǎn)速,且主旋翼慣性效應(yīng)非常明顯,因此在建模中不僅將機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jì)算機(jī)求解的Kane方法詳細(xì)推導(dǎo)了小型無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程,并對(duì)模型進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化。2)飛行控制器設(shè)計(jì)針對(duì)常規(guī)無(wú)人直升機(jī)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(wèn)題,本文采用預(yù)測(cè)控制算法實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的飛行控制。但傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制需要在線優(yōu)化,因此需要較大的計(jì)算量。為此論文引入顯式預(yù)測(cè)控制算法。顯式預(yù)測(cè)控制算法將在線優(yōu)化問(wèn)題離線化,在線計(jì)算

4、時(shí)只需要查找相應(yīng)的控制區(qū)域,通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到控制量,因此非常適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。小型無(wú)人直升機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)。3)魯棒穩(wěn)定性研究直升機(jī)在飛行中常會(huì)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(biāo)。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(hào)有干擾、機(jī)體變質(zhì)量、外界風(fēng)干擾等情況下

5、的魯棒穩(wěn)定性,并和PID控制器進(jìn)行了對(duì)比分析。4)路徑跟蹤能力驗(yàn)證為了驗(yàn)證飛行控制器的路徑跟蹤能力,文中通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明,相比PID控制EMPC控制器具有較好的路徑跟蹤能力。5)實(shí)飛試驗(yàn)為驗(yàn)證飛行控制器的實(shí)際飛行性能,論文首先對(duì)實(shí)飛試驗(yàn)中需要知道的一些具體物理參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí),然后在飛行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)飛試驗(yàn)。實(shí)飛試驗(yàn)表明,無(wú)人直升機(jī)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(guò)-2.9°~4.6°；無(wú)人直升機(jī)位置控制精度良好,其縱、橫向通道位置精度達(dá)到0.15m,高度控制達(dá)到0.05m,完全可以滿足工程應(yīng)用需要。6)轉(zhuǎn)向控制中的去耦問(wèn)題針對(duì)直升機(jī)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中影響平面運(yùn)動(dòng)控制精度的問(wèn)題,論文采用補(bǔ)償算法對(duì)控制器進(jìn)行了改進(jìn),并利用仿真和實(shí)飛試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和實(shí)飛試驗(yàn)都表明,改進(jìn)的預(yù)測(cè)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(wú)人直

7、升機(jī)控制器設(shè)計(jì),本文從以上六個(gè)方面進(jìn)行了研究,其主要貢獻(xiàn)包括：論文提出將顯式預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于6自由度小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制；以YPR為歐拉角,采用Kane方法創(chuàng)建了小型無(wú)人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型；基于所建模型和顯式預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)了小型無(wú)人直升機(jī)姿態(tài)控制器、速度控制器和位置控制器；另外,對(duì)于轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)之間的耦合論文還提出采用補(bǔ)償算法進(jìn)行改進(jìn)。論文通過(guò)仿真和實(shí)飛試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性,本文所提方法在理論上和應(yīng)用上都具有一定的借鑒作用和參考價(jià)