小型无人直升机的模型辨识与鲁棒控制技术研究

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1、分类号密级ＵＤＣ＾东利乂杀禱ＮＡＮＪＷＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆巧州ＮＯＬＯＧＹ博壬学位论文小型无人直升机的模型辨巧与鲁棒控制技术硏究—（题名和副题名）夏慧（作者姓名）指导教师姓名陈庆伟教授学位类别工学博壬学科名称控制理论与控制王程研巧方向无人机建模与控制２０巧．０？论：雜効炯注１：注明《国际十进分类法ＵＤＣ》的类号博壬学位论文小型无人直升机的模型辨识与鲁棒控制技术研究作者

2、：夏慧指导教师：陈庆伟教授南京理工大学２０１５年７月Ｐｈ．Ｄ．ＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｏｄｅｌＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｏｂｕｓｔＣｏｎｔｒｏ－ｌＴｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓｆｏｒＳｍａｌｌＳｃａｌｅｇＵｎｍａｎｎｅｄＨｅｌｉｃｏｐｔｅｒｓＢｙＸｉａＨｕｉＵｎｄｅｒ化ｅｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄＳｕｅｒｖｉｓｅｄｏｆｐＰｒｏｆ，ＣｈｅｎｉｎｗｅｉＱｇＮａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ

3、ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｊｇｙＪｕｌ２０１５ｙ，声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加Ｗ标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料一。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。，々杉年研究生签名；Ｍ７曰巧３学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文挡，可Ｗ借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，

4、可Ｗ向有关部口或机构送交并授权其保存、借阔或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。＾■研究生签名％２０：咬年月日／Ｊ博±学位论文小型无人直升机模型巧识与鲁棒控制技术研巧摘要小型无人直升机具有垂直起降、悬停、超低空和机动飞行等直升机的飞行特性，此夕ｈ它还具有体积小、重量轻、灵活性高等特点，在军用、民用等众多领域具有广阔的一个强賴合应用前景。但小型无人直升机是、不稳定、时变的多变量非线性系统，系统建模和控制系统设计是自主飞行控

5、制的关键技术，设计难度大，因此研究开发具有自主知识产权的小型无人直升机自主飞行控制系统具有重要的理论意义和较高的实际应用价值。本文Ｗ单旋翼带尾奖小型无人直升机为研巧对象，研巧其建模和控制器设计问题，主要包括建立直升机的机理模型，研究主通道模型和考虑稱合的系统模型辨识方法，设计基于辨识模型的鲁棒控制器，进，相关工作获得了行相关飞行实验验证等Ｈ项发明专利授权。全文主要内容如下：采用机理建模法，建立了直升机的非线性飞行动力学模型，分析了显著影响直升机飞行特性的主旋翼及伺服小翼挥舞

6、运动特性，合理降低了挥舞模型的复杂度，获得了主旋翼及伺服小翼的挥舞运动模型。利用小扰动线性化方法对直升机模型在悬停点进行了线性化，，给出了线性化模型表达式，根据参数的表达式深入分析了各个参数确定了全部参数的变化范围和部分参数的数值，为模型辨识创造了良好的条件。在线性特性明显、通道锅合较弱的平衡点上，根据主通道的频率特性对直升机的线性状态方程进行了辨识，分析了模型参数的不确定范围，对状态方程参数的不确定范围进行了计算一种变阶次模型辨识方。根据参数不敏感度筛选模型中不敏感参数，提出了

7、法，获得了主通道模型的最小实现。实验结果表明，状态方程模型辨识结果与变阶次模型辨识结果皆能够对主通道特性进行合理表达，模型不确定的范围也能满足模型精度的要求，便于控制器的设计。针对飞行通道賴合显著的问题，研巧了考虑帮合的无人直升化模型辨识方法。提出了一种应用复合相关函数对频域有效数据进行筛选和辨识的方法，与偏相关函数相比，大大提高了辨识的有效范围。分析了横向与纵向通道角动态错合模型化及航向通道角动态賴合模型的特性，给出了状态方程参数在考虑賴合的情况下的辨识流程，通过实验对，模型进

8、行了验证，结果表明在考虑賴合情况下得到的状态方程模型输出与实测输出么间的误差得到了明显的改善。针对小型无人直升机系统矩阵稀疏、ＬＭＩ方程较难求解参数的问题，采用非线性时滞模型ｏｏ，设计Ｈ鲁棒控制器。通过运用合适的李亚普诺夫函数及稳定性证明，扩大了变量的求取范围，使控制器设计的结果对本文系统有解。针对辨识得到的直升机纵横向角动态模型设计了鲁棒控制器ｏ一，仿真结果表明Ｈｏ鲁椿控制器能够使直升机系统