(硕士论文)一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计.pdf

摘要关键词微小型四旋翼无人直升机是一种结构简单、飞行方式独特的垂直起降无人机。在很多领域都有着广阔的应用前景。本文以一种四旋翼无人直升机为研究对象,根据微型四旋翼直升机的动力学特性建立了数学模型,分别研究、设计了线性和非线性控制器,并通过仿真试验进行了验证。主要研究工作为:针对本文所使用的微型四旋翼直升机进行了建模研究,从动力学和运动学两个方面分析其特性,得到微型四旋翼直升机的运动方程。分别利用小扰动方法和反馈线性化方法将非线性动力学模型线性化,针对姿态回路和位置回路设计了刂破鳎⑼ü抡媸笛檠橹ち怂杓瓶刂破鞯挠行浴由于动态特性的影响,线性化控制器在实际运用中可能会引起平面内漂移等误差。为了对无人机进行高效、精确的控制,针对微小型四旋翼这个欠驱动系统,用基于反步法的滑模控制设计了欠驱动系统的非线性控制器。运用搭建微小型四旋翼飞行器的仿真系统,仿真结果表明该控制器有效、可行。最后,针对系统实际应用情况,研究了具有外部扰动时的微型四旋翼直升机自适应控制。采用自适应方法对系统参数进行估计,设计了基于反步法的滑模控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够较好的实现定点悬停和轨迹跟踪,抗干扰能力强,具有一定的鲁棒性;进一步,深入分析了控制器参数对系统性能的影响,利用量子粒子群多目标优化算法对参数进行了优化设计,得出了满足要求的参数优化值。仿真实验验证了方法的有效性。四旋翼直升机动力学模型小扰动法反步法滑模控制量子粒子群优化硕士论文一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计
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髀四旋翼直升机,又被叫做一【俊】、/、引言无人机【浚⑽募虺芔是指具有动力装置,不载人员的飞行器。它通过利用空气动力来克服自身重量,可遥控或自主飞行,能够携带载荷可一次性或多次回收使用。ㄖ鄙⑿硎椒苫⑷硎叫⌒头纱约捌渌尚衅鳌相对于有人驾驶的飞行器而言,哂泻芏嘤攀疲缁裕此彩备谋渥颂哪力等。固定翼无人机在技术上已经非常成熟,而且在过去二十多年的军事战争中充分展现了它们优越的作战性能。与固定翼无人机相比,可垂直起降男砦奕嘶发展要缓慢得多。这是因为飞行器的控制比较复杂。但是相对于固定翼无人机,无人机具有难以比拟的优点:具备自主起飞和着陆能力,能够适应各种环境,能以如悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行。这些优点决定了无人机比固定翼无人机具有更广阔的应用前景。而在无人机这个大家族中,四旋翼无人直升机以其新颖的结构布局、独特的飞行方式引起了研究人员广泛的关注。微小型四旋翼飞行器具有广阔的军事和民用前景,特别适合在近地面环境缡夷凇丛林和城区等兄葱姓觳臁⒓嗍拥热挝瘢挥氪送保故腔鹦翘讲馕奕朔尚衅鞯闹要研究方向之一【;另外,外形新颖、成本低廉、结构简单、性能卓越以及独特的飞行控制方式【ü刂扑母鲂淼淖K伲佣词迪址尚锌刂使其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。/、.,已经有一百多年的历史了。和传统的单旋翼无人机相比,四旋翼无人直升机可以采用更小的旋翼,从而不至于裸露在外的旋翼碰到周围物体而坠毁,使飞行变得更加安全。此外,四旋翼无人直升机是通过平衡四个旋翼产生的力来实现精确飞行和稳定盘旋的【浚母鲂聿耐屏系ジ鲂聿耐屏δ芨玫氖迪治奕嘶木蔡早在年,值躄和就设计制造了世界上第一架四旋翼直升机。这个庞然大物装有毙恚个巨大的双层桨叶组成,⒍旋。硕士论文一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计
机,只能乘载一人。虽然它看起来很笨重,但是却载人飞离了地面。由于它没有用到任何控制方法,也没有配备飞行操作系统,所以它的稳定性非常差,飞离地面的时间只能用秒来计算【俊>」苋绱耍耆ǹ梢员挥K男碇鄙南惹撬男碇鄙发展的一个重要的起点。年,也设计制造了一架四旋翼直升机。它重达ń铮力装置是千瓦的发动机,旋翼的转速为转/分。设计者在发动机上安装了一个油门调节器来控制旋翼的转速。这架直升机的飞行操纵系统与普通飞机的飞行操纵系统相似,虽然数次试飞成功,但机械操纵系统比普通飞机的要复杂,结构笨重,实用性的前景不好,对它的研究就没有继续下去。年,驾驶着由他自己设计制造的四旋翼直升机飞上蓝天。与以前的设计方案不同,这种四旋翼飞行器的四个直径都超过了英尺的旋翼被安装在一个“毙蔚支架上。它可以通过改变由两个发动机来驱动的每个旋翼提供的推力,从而控制飞机的飞行。虽然这种四旋翼直升机的设计开发是很成功的,但由于研究人员对它失去兴趣而使得研究工作没有继续。从那以后的十几年,由于各方面技术的限制,四旋翼直升机发展得很缓慢,没有什么实质性的进展。然而,近些年来,随着传感器、处理器、驱动以及能源供给等技术的飞速发展,攻克了各种四旋翼直升机设计中的技术难题,人们又开始感兴趣与四旋翼直升机研究。在研究人员的努力下,各种学术论文不断发表,成果