无人直升机因其独特的飞行特点而具有日益重要的军事和民用价值。小型无人直升机加载自动飞行控制系统以后可以实现超视距飞行,能够完成许多常规飞行器所不能完成的任务。研究开发无人直升机自主飞行控制系统具有非常重要的现实意义,然而由于无人直升机本身是一个典型的不稳定、强耦合、时变的非线性系统,开发无人直升机自主飞行控制系统一直是一个颇具挑战性的任务。针对当前飞行控制研究中存在的问题,以一款单旋翼带尾桨式微型航模直升机(“雷虎90”)为研究对象,设计出一套融合了状态相关黎卡提方程(SDRE)和非线性前馈补偿技术的控制算法,并进行了试飞验证。论文的主要工作如下:1. SDRE控制理论研究对SDRE控制方法做理论方面的系统阐述。针对目前SDRE研究的三个重点方向,即全状态反馈理论、非线性观测器和SDRE的数值解给出了研究成果。2.无人直升机非线性数学建模及特性分析根据表征直升机运动的三大组成部分(主旋翼挥舞、姿态运动和轨迹运动)状态变化速率差异很大的现实情况,将无人直升机整体非线性数学模型进行分解,对主旋翼挥舞、姿态运动和轨迹运动分别建模,得出一组适用于SDRE控制的仿射非线性规范模型,并对模型中影响状态变量运动的主、次要因素进行数值分析,证明了规范模型的合理性。3.无人直升机姿态控制器设计对SDRE方法在理论方面进行拓展,结合李亚普诺夫稳定性理论设计出能够实现全局渐近稳定的SDRE姿态控制器,给出了证明过程和姿态控制系统结构框图。另外,还对非线性前馈补偿技术、主旋翼转速(Ω)和主旋翼挥舞角( a f ,b f)的在线估计问题进行了研究,给出了仿真研究结果。4.无人直升机轨迹控制器设计运用SDRE方法结合非线性前馈补偿技术设计了三轴速度( u , v ,w)控制器,给出速度控制系统结构框图。由于速度控制实现了解耦,三维坐标位置(x,y,z)的控制采用传统PID方法。仿真结果证明了控制器的有效性。5.控制器性能试飞验证在已有理论研究和仿真分析成果的基础上,开发了无人直升机自主飞行控制系统硬件平台并进行了实际飞行。对采集到的飞行数据进行数值分析以进一步验证控制器的整体性能,得出了姿态控制的实际性能指标。
