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基于子空间的小型无人旋翼机的系统辨识研究

作　者: 吴桐
导　师: 赵健康
学　校: 上海交通大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 闭环子空间 旋翼无人机 姿态通道 正交分解
分类号: V275.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


小型旋翼无人机由于其质量轻,体积小,垂直起降,易悬停的特性在军事、民用领域都有特殊的用途。为实现对旋翼无人机的精确控制就必须有准确的模型。但由于系统本身的力学特性复杂,使理论建模变得尤为困难,目前常用的建模方法是动力学建模与系统辨识。子空间辨识方法是系统辨识近些年来发展迅速的一种辨识方法,其特点是针对系统状态空间模型的辨识,可用于多输入多输出系统。本文的主要研究工作是将子空间辨识方法运用到小型旋翼无人机悬停状态下的姿态角通道的辨识,具体内容如下:1.介绍了子空间辨识的发展与现状,通过分析子空间辨识法的特点与小型旋翼无人机,说明了子空间辨识方法用于小型旋翼无人机的系统辨识的优势。2.阐述了统一框架下子空间辨识方法的基本理论,并叙述了具体的计算步骤,且通过仿真对比分析了经典子空间辨识方法的优劣。3.针对小型无人旋翼机系统不稳定的特点,将闭环子空间引入子空间辨识方法。有利于无人机系统的辨识,本文在传统的两步法闭环子空间的辨识方法基础上基于正交投影理论的分析,给出了基于两次正交分解的闭环子空间辨识的方法,不仅保证了精度,而且降低了运算量,最后采用仿真实例分析了算法的有效性。4.从小型旋翼无人机的基本动力学方程出发,建立了全状态量的系统模型,并在小扰动假设下进行了线性化,分离出三个姿态角通道的状态子空间方程。并且给出了基于闭环子空间辨识方法的辨识思路与辨识步骤。5.基于正交投影方法设计了仿真辨识实验,分别通过闭环子空间辨识方法对系统姿态角通道模型进行了辨识,且采用交叉验证法进行了验证,仿真结果说明辨识方法的正确性,同时通过对比不同阶次的辨识结果比较,说明对于系统模型阶次的拟合度真实,并用给出输出误差的方差作为阶次选择的标准。仿真实验结果充分证明子空间辨识算法的可行性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-19
  1.1 引言  9-13
  1.2 子空间辨识研究现状  13-16
  1.3 小型旋翼无人机系统辨识研究现状  16-17
  1.4 本文主要的研究内容和工作  17-19
第二章 子空间辨识基础与方法  19-36
  2.1 预备知识  19-21
    2.1.1 正交投影  19-20
    2.1.2 斜向投影  20-21
  2.2 线性系统模型说明  21-24
    2.2.1 一般形式  21-23
    2.2.2 新息形式  23-24
  2.3 子空间辨识常用矩阵  24-27
  2.4 子空间辨识方法  27-30
    2.4.1 子空间统一框架原理  27-28
    2.4.2 算法实现  28-30
  2.5 仿真实验  30-35
  2.6 本章小结  35-36
第三章 闭环子空间辨识研究  36-53
  3.1 问题描述  36-38
  3.2 两阶段法  38-41
  3.3 正交投影法  41-45
    3.3.1 状态空间模型  41-42
    3.3.2 正交分解闭环算法  42-45
  3.4 仿真实验  45-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章 小型旋翼无人机系统辨识  53-76
  4.1 小型旋翼无人机建模思想  53
  4.2 小型旋翼无人机数学建模  53-60
    4.2.1 坐标系及其变换  53-55
    4.2.2 小型旋翼无人机操纵原理  55-56
    4.2.3 小型旋翼无人机动力学方程  56-60
  4.3 状态方程线性化  60-67
    4.3.1 全状态量方程  60-64
    4.3.2 姿态通道状态空间模型  64-67
  4.4 小型旋翼无人机姿态角通道辨识  67-75
    4.4.1 小型旋翼无人机辨识思想  67-68
    4.4.2 模型简化  68-71
    4.4.3 辨识步骤  71-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章 仿真实验辨识结果分析  76-97
  5.1 实验总体设计  76-79
    5.1.1 飞行器辨识输入信号  76-78
    5.1.2 实验时间  78
    5.1.3 采样频率  78
    5.1.4 对比实验设计  78-79
  5.2 仿真结果与分析  79-96
    5.2.1 俯仰通道辨识  79-83
    5.2.2 横滚通道辨识  83-87
    5.2.3 航向通道辨识  87-91
    5.2.4 多输入多输出  91-96
  5.3 本章小结  96-97
第六章 结论与展望  97-99
  6.1 本文回顾及结论  97
  6.2 研究展望  97-99
参考文献  99-102
致谢  102-103
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  103-105

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 各类型航空器 > 短距和垂直升降航空器 > 直升飞机、旋翼机
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