小型无人直升机飞行控制系统及其试验台的研究

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1、小型无人直升机飞行控制系统及其试验台的研究王宇辰2015年1月中图分类号：TP273.1UDC分类号：629.7小型无人直升机飞行控制系统及其试验台的研究作者姓名王宇辰学院名称自动化学院指导教师许向阳副教授答辩委员会主席戴亚平教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonSmallScaleUnmannedHelicopterFlightControlSystemandItsTestBedCandidateName：YuchenWangSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyM

2、entor:Prof.XiangyangXuChair,ThesisCommittee：Prof.YapingDaiDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学

3、或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要无人直升机垂直起降、定点悬停等独特的飞行能力使其在各领域都具有无可替代的位置。小型无人直升机除具有直升机非线性、强耦合、自不稳定等显著特点外，还具有自身的特点，如主旋翼转速高、大部分带有贝尔稳定杆、更差的稳定性与更强的灵敏性等。由于小型无人直升机的低成本、体积小等特点，使其更加贴近我们的生活，更多被选为研究对象。小型无人直升机的自主飞行设计大致包含仿真、半物理仿真、试飞三个阶段。本文涉及其中的前两个部分。仿真阶段文中以一款样例小型无人

4、直升机为研究对象，结合机理建模与辨识建模的方法，分模块搭建了该小型无人直升机的Simulink模型。针对小型无人直升机各组成部分的特点，本文将直升机的飞行控制系统分为快速模态控制、中速模态控制与低速模态控制三个部分。其中，快速模态与中速模态部分应用滑模变结构控制方法，低速模态部分应用一种针对二次积分模型的基于轨迹跟踪的控制方法（MTC）。仿真验证表明，本文设计的这种混合飞行控制系统较PID控制器有明显的性能改善。半物理仿真阶段本文设计了一种小型无人直升机半物理仿真试验台。试验台包含有针对小型无人直升机的姿态模拟、地面效应模拟和侧风模拟。试验台采用新的模拟方法，可实现小型无人直升机在试验台上

5、的真实打桨飞行，并通过试验台与上位机的数据传输获得直升机的实时运行信息。本文针对设计的飞行控制系统制定了多个环节的仿真验证方案，结果表明其性能的优越性及理论上的可行性。在半物理仿真试验台部分，文中完成了对其的设计、选材及预算工作。这些都为今后实验室小型无人直升机自主飞行的研究提供参考与帮助。关键词：小型无人直升机；Simulink模型；滑模变结构控制；MTC；半物理仿真试验台IAbstractTheflightabilityofunmannedhelicoptermakeithaveanirreplaceablepositioninallfields.SuchasVTOLandhoveri

6、ngatfixedpoint.Smallscaleunmannedhelicopterhasitsspecialcharacters,forexamplehighspeedofmainrotor,mostofthemhavebellstabilizerbar,worsestabilize,betteragilityandsoon.Itisclosetoourlifeandmoreresearchinstituteschoseitasresearchobject,becauseofitsfeatureofsmaller,cheaperetc.Therearethreestepsinthesm

7、allscaleunmannedhelicopterautoflightcontroldesignsystem.Theyaresimulation,half-simulationandflytest.Thispaperinvolvedtwoahead.Asamplesmallscaleunmannedhelicopterischosenasresearchobjectinsimulationprocess.TheSimu