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中南大学硕士学位论文
摘要
摘
要
无人机在军事和民用领域具有广泛的应用价值,已经引起国内外
各研究机构的高度重视,纷纷对无人机相关技术进行研究,飞行控制
系统是无人机能够安全飞行的基本前提。因此,研究无人机的自主飞
行控制技术具有十分重要的现实意义。
本文的研究对象为某模型飞机,首先根据牛顿第二定理和坐标变
换,并运用Aerosim仿真工具箱,建立无人机的simulink仿真模型,
包括力方程组、运动方程组、力矩方程组和导航方程组模型以及气动
力计算模块和风的干扰模型;其次,在典型状态点配平模型的基础上
依据小扰动原理对非线性模型进行线性化,从而得到状态空间描述的
纵向和横侧向线性化模型,实现模型降阶,为控制律设计提供了模型
基础;再次,分析了LQR如何改进以便能够进行飞行控制律设计,
并采用输出反馈线性二次最优技术分别设计了纵向姿态保持和高度
保持回路控制律,横侧向倾斜姿态保持和航向保持回路控制律,仿真
结果表明,控制律具有良好的良好的动态品质和跟踪性能;随后,提
出了基于DSP56F807为核心的自动驾驶仪方案,完成了主要元器件
的选型和部分底层驱动程序的开发;最后,利用OpenGL的API开发
技术,结合VC++的MFC开发了一个简单的无入机三维动画软件,
这样,simulink模型通过RS232串口与自动驾驶仪相连,并通过
UDP/IP网络协议与三维动画软件进行通信,从而构成了硬件在环的
仿真平台,该平台可以非常直观方便的验证控制律效果,可帮助设计
人员提高效率。
关键词无人机,飞行控制,线性二次最优,自动驾驶仪,半实物
仿真
中南大学硕士学位论文
绪论
第一章绪论
1.1国内外无人机发展概述
无人机(Unmanned
Aerial
Vehicle,缩写为UAV)又称“空中机器人",是一
种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称【l】。它大体上是由无
人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效
负荷三部分组成的。根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离或执行任务的性质
等特点我们可以把它划分成不同种类。从总体结构来看,无人机有固定翼、垂直
旋翼、倾斜旋翼、旋翼/固定翼之分;根据活动半径和续航时间,无人机可大体
分为近程、短程、中程和远程四类;根据用途的不同,我们又可以把无入机分为
军用和民用两大类。根据控制方式可分为遥控式、半自主、自主飞行或者三者兼
而有之【21。
无人机的飞速发展和广泛运用是在海湾战争后,以美国为首的西方国家充分
认识到无人机在战争中的作用,竞相把高新技术应用到无人机的研制和发展上,
新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间,采用先进的信号处理与通信技
术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度,先进的自动驾驶仪使无人机
不再需要陆基电视屏幕领航,而是按程序飞往盘旋点,改变高度和飞往下一个目
标。国外代表机型有美国的“猎人"(Hunter),“先驱者"(Outrider),“全球鹰’’,
“捕食者”;
以色列的“侦察兵"(Scout),“先锋’’(Pioneer),“搜索者”
(Searcher),“哈比’’;法国的玛尔特(Mart),“红华"(Crecerelle)、德国的布
雷维尔(Brevel);加拿大的CL-289;英国的“不死鸟’’(Phoenix);意大利的米
拉奇(Mirach);南非的“探索者"(Seeker),“秃鹭"(Vulture)和俄罗斯的“蜜
蜂”(Shmel)等。
我国对无人机的研究始于60年代,起初主要是小型靶机和民用无人机。1972
年,我军在境内击落了美国AQM.34无人机,从此开始对无人机的系统研究工
作。从事研究的机构以高校为主,如西工大,南航,北航。南航利用退役的歼6
喷气发动机研制出“长空"系列靶机。西工大无人机研究所从60年代即开始研
制小型无人机,并取得了骄人的成绩,其无人机主要有B.2型靶机、地质勘探无
人机、无人侦察机ANS.104,ANS.105等。近年研制的通用小型无人机,机载任
务设备有摄像机、照相机、红外、电子干扰、电子侦察等多种设备,可以完成多
种任务,其技术先进,现己装备部队。另外,去年今年还展出了一些无人机模型
中南大学硕士学位论文
绪论
线内对飞机的非线性模型实时解析求逆,这经常难以做到,即使能够做到,计算
量也非常大,动态逆控制律的成功应用将要求控制方程必须是已知的并且被精确
建模,飞机状态必须是可精确测量的或可被估值的,这些因素在很大程度上限制
了非线性动态逆的应用114】。此外为了提高飞行控制的鲁棒性,随着控制技术的
不断发展,许多人展开了对智能控制技术在飞行控制中的应用,如神经网络,模
糊控制,自适应控制等,我的师兄李乐奇和刘波就分别采用了神经网络和动态逆
控制技术对无人机控制律进行了研究,取得了较好效果Il引[161。
另一方面基于线性模型的控制技术如线性二次型LQR,LQG/LTR,特征结构
配置,也鲁棒控制等控制理论Il
71。Bryson最先把现代控制理论应用到飞机控制
中。Boeing公司己经应用线性二次型LQG实现了飞行控制系统设计。Honeywell
也在飞行控制系统的多变量系统设计件,成功应用了LQG/LTR,且已经把它应用
到了现代的鲁棒控制系统设计。线性二次型则是在General
Dynamics在
AFTI/F16上实现的,下面简要介绍线性二次理论在飞行控制方面的应用情况。
1987年,FU,L.J对飞机导航控制采用了最优理论进行了研究【18】。
1997年,Millier对带激励约束的飞行运动控制运用了线性二次最优进行了
设计【19】
2000年,Francesco
Amato等人针对大入射角模型,设计基于线性二次最优
的控制器,提高了其鲁棒性【2们。
2003年,Vladislav
Gavrilets对小型无人直升机轨迹控制系统中采用了
线性二次调节器设计其控制律,取得了较好的效果【2¨。
2004年,齐晓慧和董海瑞应用了线性二次型性能指标的最优控制理论,对
无人机姿态控制系统进行了优化设计【22J。
2004年,江莉在直升机多模态控制中,针对外回路控制中,应用了线性二
次状态调节器设计法设计了速度保持回路【23l
2007年,凡永华,杨军等人针对倾转旋翼机既存在拉力矢量控制又存在空
气舵控制的复杂操作特性,在完成倾转旋翼机数学建模的基础上,采用线性二
次型最优调节器方法对其过渡段飞行控制系统进行了设计124J。
2007年,余翔等人研究了执行机构故障时,采用了通过迭代线性矩阵不等
式方法(ILMI)求解基于线性二次型的直升机可靠控制律,使得直升机在正常情况
和故障情况下均能取得满意的性能指标1251。
飞行控制系统的设计本质上是一个典型的多输入多输出系统,采用直接的多
变量控制技术进行飞行控制系统的设计己越来越受到重视。随着对小型无人机飞
行控制系统性能要求的提高,对系统的带宽的要求也越来越高。现代控制理论设
计效率高,具有很好的鲁棒性,容易满足宽频带的要求,是飞行控制系统设计的
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绪论
专用型控制器是专门为某一型号无人机设计的控制器,常用于军事领域。通用型
的无人机控制器常用于民用,一般有集成度高、适应范围广的特点,如UAV
F1ight
Systems公司的AP50[2
7】无人机控制器和Cloud
Cap
Technology公司的
Piccolo[28】无人机控制器,均集成了GPS接收器、温度传感器、动静压传感器、
压电陀螺、加速度计、遥控遥测数据链路和摄像镜头控制电路。
无人机的飞行控制软件按是否采用操作系统分为两类:前后台式控制软件和
基于实时操作系统的控制软件。前后台式控制软件基于早期的软件设计方法,程
序的所有任务由主循环依此调用执行,部分任务由中断服务程序执行,程序代码
一般全部由控制器设计人员编写。而基于实时操作系统的控制软件设计是在某一
操作系统上进行二次开发,程序具有多任务并发执行的特点,常用的实时操作系
统有VxWorks,/JC
OS
II,QNX,Linux等。无人机由于可靠性要求高、飞行控
制模式多,控制软件一般都包含多个子系统或子模块,具有开放的层次式体系结
构。有的控制器在软件结构层次的高层,有飞行管理功能,如AP50控制器,可
以设定多达24个航程点,进行航路管理和自主飞行。有的控制器采用了在系统
可编程技术,如通用型无人机控制器Piccolo,用户可以在Simulink上设计控
制方法,然后自动生成C语言控制代码,通过CAN总线下载到控制器中。无人飞
机飞行参数的测量技术原理跟有人机基本相同,只是采用的传感器在成本、体积
和工作范围上要比有人飞机要小。飞机定位主要采用全球定位技术(GPS),飞行
高度和空速通常采用动静压测量法,飞机的三轴姿态角常采用陀螺传感器进行测
量,测量无人机的角速率常用的传感器为陀螺传感器和压电陀螺。无人机检测技
术的研究主要集中在传感器技术、信号处理技术和多传感器信息融合技术。无人
机的传感器技术研究主要集中在微机电技术、微制造技术和零功耗技术等。
1.3研究目的和主要研究内容
无人机在军事领域可以执行侦察和作战任务,还可进行空中指挥,在民用方
面,可以完成资源勘探、灾情侦察、通信中继、环境监测,航拍等任务,无论是
军用还是民用都有十分广阔的用途,而我国无人机技术水平跟国外相比差距明
显,所以研究无人机相关技术,有助于推动无人机的产业化、系列化、缩小我国
与发达国家之间的差距,因此具有很强的工程意义。
本课题的长期目标是针对小型无人机对飞行控制的需求,结合低速、低高度
飞行,具有一定的静稳定性小型无人机飞行力学特性,提出可行的、低成本的、
小型化的、性价比比较高的飞行控制系统研究方案。一个完善的飞行控制系统是
非常复杂、庞大的,本文主要工作研究适合小型无人机自主飞行的控制方法,并
初步建立其虚拟仿真系统,为后续研究打下坚实基础,主要内容包括以下几个方
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ohmygodvv
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