小型四旋翼无人直升机自适应优化控制

摘要： 针对小型四旋翼无人直升机姿态稳定及位移跟踪控制问题,提出了一种新的控制方法.根据牛顿 欧拉方程及刚体理论建立了小型四旋翼直升机的动力学模型,并利用二次拟合实验建立了旋翼升力和输入控制信号之间的关系模型.将自适应优化 (Adaptive Control Optimization,ACO)控制方法运用于小型四旋翼直升机控制系统中,实现了小型四旋翼直升机的姿态稳定及位移跟踪控制.实际飞行实验表明,自适应优化控制方法在小型四旋翼直升机姿态及位移控制中相对于传统的自适应控制方法,具有很好的实时性和鲁棒性.     

基于SDRE方法的小型无人直升机轨迹跟踪控制

针对小型无人直升机姿态稳定及位置跟踪控制问题,提出了基于SDRE(state-dependent Riccati equation)的跟踪控制方法.首先,根据牛顿欧拉方程及刚体理论建立了包含主旋翼挥舞动态的14阶无人直升机动力学模型.其次,将直升机系统依次划分为位置环,速度环,姿态环,姿态角速率环和挥舞运动环,再对各环动力学方程进行等效变换使其满足特定条件.在此基础上,针对非仿射系统,考虑引入控制输入u的微分6)u,将u作为系统状态变量6)u作为新的控制输入.最后,将所提出的方法应用于Trex-250直升机.结果表明,所提方法能够取得良好的位置和姿态跟踪效果,且具有很好的实时性和鲁棒性.     

小型单旋翼无人直升机系统的设计与实现

针对无人直升机动力学建模与飞行控制方法研究的问题,构建了一个由空中飞行平台、数据传输设备以及地面监控平台组成的小型单旋翼无人直升机验证系统.系统中空中飞行平台由Raptor-50型直升机和自主研制的飞行控制系统组成,可以实现不同飞行模态下飞行状态的测量与记录功能;数据传输设备完成小型单旋翼无人直升机机载电子设备与地面站间的通讯传输功能.地面监控平台用于监控飞行状态以及实现人机交互等功能;地面监控平台用于监控飞行状态以及实现人机交互等功能.通过实际的飞行测试,所构建的系统能够满足小型单旋翼无人直升机系统建模与控制方法的研究内容对系统性能的要求.     

基于Takagi-Sugeno模糊模型的小型无人直升机系统辨识

提出了一种基于非线性系统模糊辨识建立小型直升机动力学特性模型的新方法,分析了小型直升机的4个舵机输入和位姿变量、运动变量的模型.设计实验采集和预处理得到辨识和验证所用的数据.通过辨识航向通道的动力学模型来说明模糊辨识在小型直升机建模中的可行性和有效性,并通过与最小二乘法辨识结果比较,表明该模糊辨识建模方法具有建模简单、模型精度高等优点.研究结果对小型直升机系统的建模和控制具有一定的实用价值.     

基于自适应逆控制方法的小型四旋翼无人直升机姿态控制 

以上海交通大学工程训练中心运动控制实验室自行研制的小型四旋翼无人直升机为研究对象,搭建了姿态控制实验系统.根据牛顿 欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的动力学模型,首次将自适应逆控制（AIC）方法运用于小型四旋翼直升机控制系统中,实现了小型四旋翼直升机的姿态稳定控制.仿真结果和实际飞行实验表明,AIC方法在小型四旋翼直升机姿态控制中具有很好的实时性和鲁棒性.     

小型无人直升机悬停状态下的系统辨识

提出了一种渐消记忆的最小二乘逐状态辨识算法,相对原来利用最小二乘进行无人直升机矩阵辨识的方法,该算法能极大地减小计算量,降低计算的复杂程度以提高计算过程的稳定性.并采用该方法建立了小型无人直升机系统的ARMAX模型和MIMO模型,还通过仿真对2种模型做了对比,结果显示MIMO模型能更精确地描述小型无人直升机系统.     

欠驱动系统控制——模拟小型直升机试验平台的应用

为了设计和验证小型无人直升机的姿态稳定控制器,根据小型无人直升机的基本原理,设计了小型无人直升机试验平台模拟真实小型无人直升机的姿态运动.将旋翼产生的升力作为外力加载在机体上,利用拉格朗日方程建立了简化试验平台的姿态动力学方程.设计以修正PD控制算法为核心的分层递解姿态控制器.把系统一部分状态作为另一部分状态的控制量,将欠驱动问题转化为完全驱动问题,实现试验平台3个姿态角的稳定控制.最后,运用Matlab中的Simulink仿真以及实物试验,验证了所提出的设计方法是正确可行的.     

两类平面并联机构凯恩动力学建模与比较研究

研究了冗余驱动平面4-RRR并联机构与非冗余驱动平面3-RRR并联机构的刚体动力学建模及其性能比较.首先,从运动学角度出发,推导了两种机构的运动学逆解模型.其次,基于Kane方程和多体理论,提出了一种模块化建模方法.该方法简捷、高效,可有效简化动力学建模过程,并可获得结构紧凑的系统动力学模型,对于控制策略的构建极为便利.最后,在MATLAB编程环境下,分别从运动学与动力学性能指标、逆刚体动力学仿真等方面对两种机构进行了比较分析,验证了冗余驱动在规避奇异、提升系统动态性能等方面的有效性,为后续基于模型的控制策略设计奠定了理论基础.     

小型无人直升机非脆弱鲁棒H_∞控制器设计方法研究

针对小型无人直升机存在时滞、不确定性及非线性动态问题,提出一种针对小型无人直升机模型具有非线性和时滞的H∞非脆弱鲁棒控制器设计方法。首先将直升机系统描述为具有参数扰动、时滞和非线性项的1个状态方程,然后基于李雅普诺夫方程给出了H∞非脆弱鲁棒控制器存在的充分条件。仿真结果表明该方法设计的控制器具有良好的鲁棒性和非脆弱性。     

基于多体系统传递矩阵的柴油机配气系统动力学分析

利用多体系统传递矩阵分析柴油机配气系统的动力学特性,推导基于多体系统传递矩阵的动力学模型建模过程,建立了配气系统基于多体系统传递矩阵的单质量和二质量动力学模型.为检验该方法建模的有效性,以某柴油机配气系统为例,将以新方法建立的多体系统传递矩阵模型与多刚体系统动力学模型、GTSUITE建立的多柔体动力学模型进行比较.实验表明,多体系统传递矩阵模型较多刚体系统动力学模型对于气门的升程曲线、丰满系数等参数的计算值误差更小,且求解更简便;较多柔体动力学模型建模更方便、快捷.     

旋翼挥舞作用下的直升机增稳系统稳定性估计

研究了在攻击直升机上旋翼挥舞效应对增稳系统性能和设计的影响。建立了含有挥舞方程的线性模型。通过常规的稳定性分析方法得出的结果表明 :准静态假设下所设计的高增益纵向增稳系统将出现不稳定响应 ,并且考察了控制律中不同参数对稳定性的影响 ,其结果均弱于增益的影响作用。因此在系统设计时 ,应采用含有挥舞方程的直升机运动模型。最后通过计算 ,得出了在挥舞作用的影响下的纵向增稳系统的稳定性条件估计     

小型涵道飞行器悬停状态动力学建模研究

针对小型涵道飞行器介于直升机和固定翼飞机之间独特的结构特点和控制特性,对小型涵道飞行器在悬停状态下的动力学进行分析,结合刚体动力学和空气动力学对飞行器所受力和力矩进行推导,并建立动力学模型.同时对模型零动态的渐近属性进行研究,得出飞行器物理参数与内动态稳定性的关系,分析结果表明,系统零动态的指数不稳定性不仅受到控制舵压心到飞行器质心距离的影响,同时也和螺旋桨的陀螺惯量有关.     

集成旋翼控制的直升机高带宽飞行控制设计

为发展一种集成旋翼控制的直升机高带宽飞行控制设计方法,基于显模型跟踪控制技术,在反馈控制模块引入旋翼运动信息并采用旋翼/机体控制增益的最优化设计提升直升机动稳定性,采用旋翼前馈增强控制提升直升机操纵频率,提出基于有效跟踪的显模型参数设计方法提升直升机小幅高频和中等幅度姿态控制的操纵品质。最后,基于高阶飞行动力学模型分析直升机操纵品质,结果表明：将旋翼控制用于直升机飞行控制设计能够在保持系统稳定性的同时提升操纵频率,直升机纵、横向操纵响应带宽分别提升18%和10%,纵、横向姿态快捷性分别提升25%和20%。     

某型直升机医疗地板的改装优化设计与适航符合性验证

由于通用航空的特殊功能、优势和对国民经济增长的巨大推动作用,其在我国迅速发展,通航公司规模也越来越大,直升机的业务种类也逐渐增多。然而普通构型的直升机只能进行运输功能,已经不能满足人们对直升机所执行的任务要求,特别是对于医疗救援类的直升机已经成为了地震灾区、火情灾区、海上救援等所必要的工具。所以需要对直升机进行改装设计,将其加装医疗设备来满足应急医疗救援的目的。本文为使直升机能够恢复出厂构型,研究并设计出直升机医疗地板,并且对其结构进行拓扑优化,其次对直升机医疗地板改装的适航审定流程进行了研究分析,并且对直升机加装的医疗地板进行了多种适航符合性验证方法的研究,进行强度试验验证,最终得出结论医疗地板满足适航法规要求。同时为通航公司在直升机改装医疗地板方面提供参考依据。可见直升机医疗构型改装设计及适航研究已成为实现直升机应急救援的重要依据。     

民用直升机金属结构环境损伤等级评定方法分析

直升机的工作环境极为恶劣,其金属结构的环境损伤等级研究是直升机维修间隔评估的重要内容之一。文章综合考虑了民用直升机的运营环境和金属结构的材料特性,根据现役民用直升机的使用特点,得到影响其金属结构环境损伤等级(Environmental Damage Rate,EDR)指标,结合层次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)建立出一个三层三级的EDR指标评级模型——模型N。同时运用模型N和模糊层次分析法(Fuzzy Analytical Hierarchy Process,AHP)的两种模型进行实例计算,发现运用模型N与经过FAHP两种模型处理的专家经验结果相近,验证了模型N的可行性,为民用直升机金属结构维修间隔评估提供工程依据。     

多体系统离散时间传递矩阵法与有限元法混合方法

利用多体系统离散时间传递矩阵法（MS—DT—TMM）处理同时含有小运动小变形弹性体子系统和大运动多刚体子系统的机械系统,将两子系统的连接处作为各个子系统的边界,采用有限元法建立小变形弹性体子系统动力学方程,采用MS—DT—TMM模拟多体子系统动力学,联合这两套方程可进行总体系统动力学分析,形成了多体系统离散时间传递矩阵法与有限元法的混合方法。通过数值算例证明了方法有效,为扩展MS—DT—TMM的应用范围提供了途径。     

直升机飞行动力学实时仿真模型研究

进行直升机飞行仿真的关键是要有一个可信度高的直升机飞行动力学模型。飞行动力学模型的可信度取决于旋翼诱导速度模型。本文在推导直升机全机运动方程组的基础上,引入旋翼广义涡流理论表示旋翼的诱导速度分布,并推导出旋翼挥舞运动模型。把旋翼气动力模型结合到运动方程组中,给出了完整的飞行动力学仿真模型。并对某型无人直升机进行了仿真计算,计算结果与实际相符。     

国外武装直升机型号发展与作战能力分析

 在军用直升机行列中,武装直升机是一种名副其实的攻击性武器,因此也可称为攻击直升机。作为一种武器装备,武装直升机实质上是一种超低空火力平台。本文阐述了国外武装直升机的发展,分析了武装直升机的作战性能,以及武装直升机的武器配置和实战应用。     

基于Matlab的轻型无人直升机V带传动张紧机构分析

无人直升机因其机动灵活的飞行方式,得到了广泛应用。V带作为轻型无人直升机传动系统中的重要组件,与齿轮减速器相比,具有轻量化和传动比选择范围较宽等优势。为了提高V带传动组件的可靠性,并为直升机在线监测提供理论基础,阐述了V带张紧机构的设计原则,并对V带张紧机构进行了参数化建模。最后,采用MATLAB软件对该参数模型进行了仿真分析,结果表明V带设计参数对V带基线长度与张紧机构工作行程之间关系曲线的影响很小。