小型无人直升机多模态飞行控制系统设计与实现

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小型无人直升机具有高灵敏度、高准确性和飞行过程安全可靠等特点。相比于其它固定翼无人机,小型无人直升机造价低、体积小、重量轻,能够完成垂直起降、空中悬停、协调转弯、向前和向后飞行等多种姿态飞行,它不仅能够完成固定翼无人机所能完成的各种任务,诸如飞行训练、地质勘探、气象观察、搜索救援、运输等,而且它对起飞场地,使用环境要求都较小,能够适应复杂多变的环境。凭借自身的特性,小型无人直升机在民用和军用方面都有着广泛的应用。本论文对小型无人直升机的飞行控制系统设计方法进行了研究,并通过大量的仿真实验和真实飞行实验,对所设计的飞行控制方法进行了验证。论文的主要研究内容和贡献如下:(1)研究了小型无人直升机的数学模型。在卡内基梅隆大学所建立的Yamaha R50型十一阶直升机数学模型基础上,分析了亚拓600小型无人直升机的物理特性。(2)基于PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法,设计了小型无人直升机飞行控制系统底层控制结构。整个底层控制结构分成内环、中环和外环三个控制回路。控制算法能控制直升机完成起飞、悬停、降落等动作,并具有良好的稳定性。(3)基于直升机所处的飞行阶段,对直升机进行飞行模态的划分。目前将直升机模态分为五种飞行模态:静止模态、起飞模态、巡航模态、降落模态、异常模态。并对每一个模态都设计了不同的控制策略,来保障直升机在各个模态下保持良好的飞行特性。(4)采用软件架构设计的方法,对飞行控制系统机载软件进行了架构设计。从功能逻辑层次和数据运行层次两个方面,对飞行控制系统架构进行了细致的分析,从而有效地改善了软件质量,提高了机载软件的鲁棒性。(5)在PC 104机载计算机上,基于Linux操作系统平台,实现了机载飞行控制系统软件。并对最终实现的软件进行了可调度性分析。(6)设计并完成了直升机室外飞行实验,通过对实验数据的分析,验证了飞行控制系统设计的正确性。本文主要研究和实现小型无人直升机自主飞行控制系统,为自主飞行小型无人直升机的研制创造了良好的基础。本文所设计的飞行控制系统,已经成功控制亚拓600型无人直升机在室外环境中完成自动起飞、定点悬停和自动降落等飞行任务,而且具有良好的控制精度、稳定性和响应时间特性。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
1 绪论第10-18页
    1.1 前言第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-15页
    1.3 论文研究目标第15-16页
    1.4 论文结构第16-17页
    1.5 本章小结第17-18页
2 相关技术介绍第18-30页
    2.1 小型无人直升机结构和飞行原理第18-21页
        2.1.1 直升机物理结构第18-19页
        2.1.2 控制输入量第19-20页
        2.1.3 大桨挥舞现象第20-21页
    2.2 小型无人直升机飞行控制系统第21-22页
    2.3 飞行控制系统硬件介绍第22-23页
    2.4 地面监测系统第23-25页
        2.4.1 地面控制系统第23-24页
        2.4.2 地面导航系统第24-25页
    2.5 GPS 坐标系转换算法第25-26页
    2.6 小型无人直升机数学模型第26-29页
        2.6.1 直升机坐标系第26-27页
        2.6.2 直升机刚体模型第27-29页
    2.7 本章小结第29-30页
3 基于多模态的PID 控制算法设计与实现第30-42页
    3.1 经典PID 控制算法第30-31页
    3.2 控制结构设计第31-34页
        3.2.1 姿态PID 控制器第31-32页
        3.2.2 速度PID 控制器第32-33页
        3.2.3 位置PID 控制器第33-34页
    3.3 直升机模态第34-39页
        3.3.1 静止模态第35页
        3.3.2 起飞模态第35-36页
        3.3.3 巡航模态第36-38页
        3.3.4 异常模态第38-39页
        3.3.5 降落模态第39页
    3.4 仿真实验分析第39-40页
    3.5 本章小结第40-42页
4 直升机飞行控制机载系统设计与实现第42-56页
    4.1 飞行控制机载系统架构设计第42-45页
        4.1.1 功能逻辑架构第42-44页
        4.1.2 数据运行架构第44-45页
    4.2 可调度性分析第45-46页
    4.3 系统自检模块设计与实现第46-47页
    4.4 故障检测与故障处理模块设计与实现第47页
    4.5 指令解析模块的设计与实现第47-49页
    4.6 控制率计算模块的设计与实现第49-52页
    4.7 天地通信模块设计与实现第52-54页
    4.8 本章小结第54-56页
5 系统测试与飞行实验第56-66页
    5.1 飞行控制机载系统软件测试第56-61页
        5.1.1 机载系统软件功能测试第56-60页
        5.1.2 机载系统软件性能测试第60-61页
    5.2 室外飞行实验验证第61-64页
        5.2.1 直升机姿态控制实验第62-63页
        5.2.2 直升机位置控制实验第63-64页
    5.3 本章小结第64-66页
6 本文总结和展望第66-68页
    6.1 本文总结第66页
    6.2 未来工作展望第66-68页
参考文献第68-72页
致谢第72-74页
攻读学位期间发表的学术论文目录第74-76页
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