小型无人直升机悬停2f小速度下的飞行控制律设计技术研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言无人机是一种由无线电遥控操纵或自主程序控制的可重复使用的航空器，具有遥控、自主、半自主飞行的能力，能携带多种任务设备，用于完成不同的军事任务。无人机结构简单，造价低廉，生存能力强，机动性好，能够完成有人驾驶飞机不能完成的任务。无人直升机具有无人机与直升机的共同优点，具有独特的飞行能力，比如能垂直起降、空中悬停、前后左右任意方向飞行等，可以完成固定翼无人飞机所不能完成的垂直起降、空中悬停等。它的这些独特的飞行特点，使其在军用方面适于在战场前沿、炮兵阵地以及驱逐舰等狭小的场地上起降，既可用于完成情报、监控和侦查

2、任务，又能完成战损评估、通信中继和电子干扰等其他任务；在民用方面，可完成大气检测、资源勘探、交通监控、森林防火、航拍等任务。鉴于以上优点，许多发达国家加快了无人直升机的研制步伐。1.2研究背景世界主要发达国家都非常重视无人直升机的研究与开发，美国从20世纪50年代就开始研制无人直升机，到1960年8月12日，世界上才首次出现有实用价值的无人直升机，即美国QH-50A。此后，其它国家相继研制无人直升机，但存在许多技术难点未能突破，因而发展缓慢。直到20世纪80年代后，随着控制技术﹑信息技术及传感器技术等的迅速发展，无人直升机技术发展也跃上一个新的台阶。各种

3、多功能、智能化、高可靠性的无人直升机相继涌出，如英国的舰载“小精灵(SPRITE)”，加拿大的CL-227“哨兵(SENTINEL)”，美国的D-340“POINTER”等，这些无人直升机在军事和民用上都发挥了很大的作用。我国对无人直升机的研究起步较晚，但发展迅速。目前，国内无人直升机研制最成功是由南京航空航人大学、上海雏鹰公司合作研制的LE11OA，此型无人直升机在2004年底已成功完成超视距自主飞行试验，并于2005年底交付陆航使用。此外，还有南京航空航天大学研制的单旋翼尾桨式“翔鸟”无人直升机、总参谋部第六十研究所的单旋翼尾桨式遥控型无人直升机、北

4、京航空航天大学研制的M-22小型共轴式无人直升机。另外，清华大学及上海交通大学也正开展小型无人直升机的研制。但与世界先进水平相比，我国在无人直升机特有的总体综合技术和飞行控制技术等关键技术上还存在相当的差距。本课题正是基于南京航空航天大学飞行控制研究所与602所合作研制的小型无人直升机项目，研究小型无人直升机的建模与自主飞行控制等关键技术。此无人直升机为通用型单旋翼带尾桨式直升机，主旋翼由2片复合材料桨叶构成的跷跷板式结构。1小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究1.1课题研究任务本文主要涉及三方面的内容：直升机建模技术、飞行控制律设计、设

5、计仿真验证平台。对象特性数学模型是进行飞行控制律设计的基础，也是实时仿真系统不可缺少的一部分；由于直升机是开环不稳定的，即使受到很小的扰动都极易发散，因此要设计增稳、姿态、位置控制律，以满足飞行控制指标；控制律的正确性、合理性要通过仿真验证后才能应用于工程项目中。三者相互依存，缺一不可。1.3.1直升机数学模型无人直升机对象特性数学模型是飞行控制律设计和仿真工作进行的先决条件。在无人直升机的气动数据库、质量数据库的基础上，建立Matlab环境和C语言环境下的对象特性数学模型，对象特性数学模型包括：质点动力学方程、六自由度非线性数学模型，并考虑大气风模型的

6、融入。因为无人直升机的特殊构造，所以在数学建模过程中，很多特殊性是需要着重考虑的，如诱导速度场计算、挥舞运动等。1.3.1.1直升机数学模型研究现状直升机数学模型是控制系统设计的基础，有了准确的模型才能设计正确的控制系统，才能设计直升机控制律和各种飞行模态的验证。现阶段国内外有两种不同的直升机动力学建模方法：一种是通过理论计算获得线性或非线性动力学方程，该方法从模型的来源上又分为模型修改和结构分析两种；另一种是通过设计实验，基于实验数据，利用神经网络或系统辨识的手段获得相应的动力学模型。1）模型修改该方法是借鉴已有的直升机动力学模型，如SA2330PUM

7、A，UH21H等，结合所研究的直升机本身的参数对已有模型进行修改，从而获得适合于该型直升机的动力学模型。该方法的特点是：将已有的直升机动力学模型在所研究的飞行状态下线性化，得到具有一般形式的线性微分方程。然后根据研究目的和该型直升机的特点，对所得模型的参数和变量进行修改。2）结构分析结构分析法是根据直升机自身的机构建立其物理模型，分别或综合考虑机体、旋翼等气动部件力和力矩的作用，从而用微分方程描述直升机的动力学模型。用结构分析法建模的特点是：模型来源于直升机本身结构，并用经典的力学方程对该物理模型建模。该方法最能反映同结构直升机动力学模型的特点，也是最具

8、有普遍意义的建模手段。3）神经网络由于神经网络在处理非线性问题上的突出能力，使得