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小型无人直升机自主起降控制策略研究

作　者: 禹科
导　师: 李平；韩波；方舟
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 小型无人直升机自主起降非线性建模飞行控制地面控制站
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 61次
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内容摘要

小型无人直升机在军事领域和民用领域都具有广泛地应用前景,引起了世界各国学者的关注和研究,自主起降是其自主飞行控制中重要的一部分,其起降过程短,控制要求高。人工参与要求操作者有丰富的经验,但安全性仍得不到保障。因此,实现自主起降意义重大,是决定小型无人直升机自主飞行能力的重要因素之一。本文以某小型无人直升机作为飞行平台,采用半实物仿真和试飞实验相结合的方法对自主起降控制策略进行一系列探讨与研究,论文的主要工作为：(1)综述了小型无人直升机的国内外研究现状,重点对自主起降控制技术的研究现状和进展做了分析,并探讨了自主起降过程中的关键技术和难点。接着介绍了本飞行平台的飞控系统架构,解决了地面控制站软件开发过程中的一些关键技术。然后结合第一性原理和系统辨识的方法,建立了小型无人直升机起降过程中的全状态非线性模型,并利用“小扰动”法将其线性化。(2)分析了地面效应对自主起降的影响,提出了相应的解决方案,并通过飞行实验验证了该方案的有效性。针对自主起降过程中对离地高度测量的要求,采用去野值滤波和重调法相结合的方法对垂向速度和声纳高度计信息进行融合,保证了高度测量的准确性和实时性。(3)针对起飞离陆前的力矩不平衡问题,采用在起落架底端安装压力传感器的方法,测量地面支撑力并引入反馈控制中,实现起飞前的力和力矩自动配平,使小型无人直升机失去地面约束后能够垂直起飞。(4)针对小型无人直升机对自主起降的控制要求,设计了相应的控制策略,并通过半实物仿真实验验证了该策略的合理性和有效性。最后,完成了自主降落飞行实验,多次降落实验结果都表明,本文所设计的自主降落控制策略能够成功地完成自主降落任务,并保证着陆时的精度在1米左右。此外,采用基于有限状态机的模态调度策略能够有效地完成自主降落过程中的模态调度,保障了降落过程中的安全性,提高了小型无人直升机的自主飞行能力。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-8
符号注释表  8-11
目录  11-14
第1章绪论  14-24
  1.1 研究背景和意义  14-15
  1.2 SUH的研究现状  15-18
  1.3 SUH自主起降的技术分析  18-22
    1.3.1 SUH自主起降的研究现状  18-19
    1.3.2 SUH起飞过程分析  19-20
    1.3.3 SUH降落过程分析  20-21
    1.3.4 SUH自主起降的关键技术和难点  21-22
  1.4 论文主要内容和章节安排  22-24
第2章 SUH飞控系统设计  24-36
  2.1 飞控系统介绍  24
  2.2 飞控系统硬件平台  24-29
    2.2.1 电源管理子系统  24-25
    2.2.2 主控计算机  25
    2.2.3 导航子系统  25-27
    2.2.4 执行器控制子系统  27-28
    2.2.5 地面监控部分  28-29
  2.3 飞控系统软件平台  29-30
  2.4 地面控制站软件的实现  30-35
    2.4.1 GCS软件的总体结构  30-31
    2.4.2 数据通信管理  31
    2.4.3 飞行状态监控  31-32
    2.4.4 飞行任务控制  32
    2.4.5 飞行数据分析  32-33
    2.4.6 GCS软件的关键技术研究  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章 SUH飞行动力学建模  36-58
  3.1 SUH的操纵系统和模型特性分析  36-38
    3.1.1 操纵方式和操纵机构  36-37
    3.1.2 模型特性分析  37-38
  3.2 相关坐标系的定义  38-41
    3.2.1 地面坐标系  38
    3.2.2 机体坐标系  38-39
    3.2.3 地面坐标系与机体坐标系之间的转换关系  39-41
  3.3 SUH主旋翼的动态特性  41-47
    3.3.1 主旋翼的挥舞运动  41-43
    3.3.2 SUH垂直飞行时的叶素理论  43-45
    3.3.3 垂直飞行时主旋翼的升力计算  45-47
  3.4 作用在SUH上的力与力矩计算  47-53
    3.4.1 主旋翼气动力和力矩  47-48
    3.4.2 尾桨气动力和力矩  48-49
    3.4.3 机身气动力和力矩  49-50
    3.4.4 平尾气动力和力矩  50-51
    3.4.5 垂尾气动力和力矩  51-52
    3.4.6 SUH力与力矩合成  52-53
  3.5 SUH的非线性飞行动力学方程  53-54
  3.6 基于Simulink的SUH非线性动力学模型  54-56
    3.6.1 SUH非线性动力学模型  54-55
    3.6.2 SUH非线性动力学模型仿真求解过程  55-56
  3.7 SUH非线性模型线性化  56-57
  3.8 本章小结  57-58
第4章 SUH自主起降控制策略设计  58-74
  4.1 地面效应对自主起降的影响  58-61
  4.2 高度信息融合策略  61-64
    4.2.1 去野值滤波和重调法  62-64
  4.3 自主起飞控制策略  64-70
    4.3.1 自主起飞的控制要求  64
    4.3.2 自主起飞控制策略设计  64-70
  4.4 自主降落控制策略  70-73
    4.4.1 自主降落的控制流程  70-72
    4.4.2 基于有限状态机的降落模态调度策略  72-73
  4.5 本章小结  73-74
第5章 SUH自主起降实验结果  74-92
  5.1 半实物仿真平台搭建  74-75
    5.1.1 半实物仿真系统组成部分  74-75
  5.2 半实物仿真实验  75-82
    5.2.1 自主起飞半实物仿真实验  77-80
    5.2.2 自主降落半实物仿真实验  80-82
  5.3 自主降落飞行实验  82-91
    5.3.1 自主降落飞行实验中地面效应的解决策略  82-83
    5.3.2 地面控制站发送命令调度的自主降落实验  83-86
    5.3.3 行任务调度的自主降落实验  86-91
  5.4 本章小结  91-92
第6章总结与展望  92-94
  6.1 论文主要结论  92-93
  6.2 未来研究展望  93-94
参考文献  94-100
作者攻读硕士期间完成的科研成果  100
作者简介  100

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