小型无人直升机动态分析与非线性控制研究.pdf

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3、独特的空中悬停、垂直起降、超低空以及大机动飞行的能力，还具备体积小、重量轻、成本低、隐蔽性强等优点，因此它在军事侦察、搜索救援、空中航拍以及建筑测绘等军事和民用领域具有广泛的应用前景。然而，小型无人直升机是一种较复杂而特殊的控制对象，其动态模型具有多输入多输出、强耦合、时变、非线性、欠驱动、静不稳定的特性，实现其自主飞行控制比较困难。因此，研究小型无人直升机的自主飞行控制具有重要的理论和实际意义。本文主要在详细分析小型无人直升机动态模型基础上，对小型无人直升机飞行控制问题进行了研究。基于亚拓TREX450小

4、型电动直升机，设计并构建了小型无人直升机姿态控制实验平台，同时提供了一个飞行姿态控制算法验证平台。针对无人直升机动态模型中存在的非线性、强耦合、欠驱动、参数不确定性以及外部扰动等问题，提出了三种非线性飞行控制策略，并且应用基于Lyapunov理论的分析方法证明所提出的控制设计能够使系统输出稳定跟踪期望轨迹，并保证闭环系统信号的有界性。此外，通过MATLAB/Simulink数值仿真，验证本论文所提出控制算法具有良好的预设轨迹跟踪能力，以及对模型参数摄动或者外界扰动具有良好的鲁棒性。具体而言，本文研究工作主要

5、包括以下几个方面：首先，参考小型无人直升机建模方面已经取得的研究成果，详细阐述了小型无人直升机非线性动态模型。模型推导采用分模块构建的方法，主要包括机体运动学模型、机体动力学模型、力和力矩模型、主旋翼挥舞动力学模型等。通过对每部分的详细分析，得到较为完整的小型无人直升机非线性参数化模型。第二，以小型电动直升机作为被控对象，设计构建了姿态控制实验平台。在对小型电动直升机的电子控制式差分螺距混合控制结构的倾斜盘驱动舵机分通道解耦的基础上，使用防止舵机饱和的不完全微分PID增量式控制算法实现了无人直升机的飞行姿态

6、控制，通过飞行试验对实验平台和控制算法进行验证。第三，在分析小型无人直升机位置和姿态动态模型的基础上，应用反步自适应方法设计了飞行轨迹跟踪控制器。为了便于控制器设计，将无人直升机动力学模型拆分为高度、航向、平动三个子系统。针对模型质量和惯性矩阵的参数不确定性，使用自适应更新律对未知参数进行在线估计，解决了模型存在参数不确定性的问题。基于Lyapunov稳定性理论，从理论上证明了闭I摘要环系统的全局渐近稳定性。第四，基于包含主旋翼挥舞动力学特性以及外部扰动的一类小型无人直升机动态模型，设计了一种新的滑模控制器

7、，控制目标为跟踪预先设定的时变速度以及航向角参考轨迹。为了便于控制器设计，将非线性模型在平衡点线性化后拆分为纵向侧向子系统以及航向高度子系统。控制器设计采用滑模控制方法以补偿不可测的挥舞角动态效应以及外部扰动的影响。基于Lyapunov稳定性理论，从理论上证明了闭环系统的全局指数稳定性。第五，结合近似反馈线性化方法和滑模控制结构设计了一种小型无人直升机的非线性鲁棒控制器，控制目标为跟踪预先设定的时变位置以及航向角参考轨迹。基于忽略力与力矩耦合的非线性模型设计近似反馈线性化控制器实现系统的动态解耦，并使用滑模

8、自适应控制技术以有效补偿模型参数不确定性以及小体力和外部风扰的影响。基于Lyapunov稳定性理论，从理论上证明了所设计的控制器对于完整模型的闭环系统的全局渐近稳定性。关键词：小型无人直升机；非线性控制；反步控制；自适应控制；滑模控制IIABSTRACTABSTRACTModel-scaleunmannedhelicoptershaveuniqueflightcharacteristics,suchashov-er