一种基于参数辨识的微小型无人直升机建模方法

 针对具有高度非线性、复杂动力学特性的微小型无人直升机，提出了一种基于参数辨识的建模方法。该方法结合了机理建模和系统辨识的优点，通过严格的机理推导建立了微小型无人直升机横纵向通道通用的参数化模型，建模过程着重考虑了主旋翼、平衡杆和机身的耦合对飞行动态特性的影响。利用基于偏相干分析法的频域辨识获得某型无人直升机的关键参数，进而确定模型。模型预测数据和飞行试验数据的比较表明，所建模型很好地反映了该型无人直升机在悬停状态下的动态特性，可以在该状态下以此模型进行自主飞行控制器设计。     

基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

提出了一种改进的无人直升机H_∞回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术引入到无人直升机高带宽控制器设计,根据飞行扫频数据,得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应,依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型,采用改进的H_∞回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器,针对H_∞回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题,利用了最大右约数(GCRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比,使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度,系统的解耦性和频带也显著提高,而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证,所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。     

模型直升机悬停状态下飞行力学模型辨识

 直升机飞行力学模型的准确性对于直升机的控制系统设计具有非常重要的影响。采用常规的建模方法往往很难获得准确的飞行力学模型。为满足飞行控制系统设计的需要,提出了一种直升机飞行力学模型的系统辨识建模方法。该方法将机理建模方法与辨识建模方法相结合,首先利用状态子空间法获得直升机的近似飞行力学模型,再将机理建模提供的先验知识与子空间法辨识得到的模型相融合,限定主要参数,采用误差预报法进一步寻优得到较准确的直升机飞行力学模型。通过飞行试验,成功地辨识得到了悬停状态下模型直升机状态空间方程表达的线化飞行力学模型。所得的辨识结果能够准确预测出模型直升机的响应,可以应用于飞行控制系统设计当中。     

基于最小二乘支持向量机的小型无人直升机悬停动态建模

小型无人直升机(SUH)是一类典型的非线性动态系统,由于其本质不稳定性,由开环辨识实验获得的数据通常是小样本的,使用传统黑箱辨识方法难以获得较好的辨识效果。提出一种利用支持向量机(SVM)对SUH悬停动态进行辨识建模的新方法。通过动力学机理分析和合理的简化,确定了模型的非线性回归形式,以及从低维输入空间到高维Hilbert特征空间的映射关系和相应的机理核函数,并应用最小二乘支持向量机(LS-SVM)训练获得SVM模型和对应的参数化非线性多输入多输出（MIMO）模型。利用实际飞行数据辨识得到的模型不仅具有良好的预报精度,而且显式表达了各状态变量之间以及输入与状态之间的耦合关系,便于非线性控制策略的设计。     

一种基于短时机动试飞数据的动力学辨识优化方法

飞行动力学辨识算法的一个关键问题是,如何通过简单的机动获取所关心频率范围的响应特性。短时倍脉冲是一种易于实施的激励信号,兼顾试飞安全性与经济性,但与频域辨识法通常使用的扫频输入激励相比,短时机动频谱范围窄、信噪比低,一般难以得到准确的辨识结果。对如何基于短时机动飞行试验数据,提高辨识结果准确性的问题进行了研究。首先分析了经典Welch谱估计进行时域-频域转换过程中,影响非参数模型辨识精度的主要因素,提出了削减窗函数边缘缩减效应的数据预处理方法,并结合多窗口综合技术,提高频域特性辨识结果的精度。在参数化模型辨识过程中,针对有限频谱范围,提出了利用相干函数和功率谱密度加权综合,确定等效拟配的频率范围和频率节点的自适应方法,使得低阶等效拟配与输入激励信号高度相关,提高参数化模型辨识的精度、一致性和适应性。通过不同类型飞机的大量短时机动和少量扫频飞行试验数据模型辨识的工程应用示例,验证了动力学辨识优化方法算法稳定、结果准确,可满足飞行品质模态特性评价等应用需求。     

“天行者”小型无人直升机自主飞行控制系统设计

介绍了上海交通大学"天行者"小型无人直升机自主飞行控制系统的设计及实现技术。首先引入了德国柏林工业大学基于牛顿力学建立的小型无人直升机动力学模型,然后基于此模型设计了直升机飞行姿态控制器。之后引入一种针对二次积分模型基于期望响应轨迹设计控制器的控制算法,文中简称为MTC,设计实现了直升机飞行位置的不超调控制和飞行速度控制。实际飞行控制试验结果验证了飞行控制算法的有效性。仿真试验表明,基于MTC算法所设计的飞行导引点方法,可用于实现多航点路径的不减速连续曲线轨迹的飞行控制。     

基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

基于物理信息神经网络的飞机气动参数辨识方法

在飞机设计与研制过程中，通过气动参数辨识建立可靠的飞行动力学模型非常重要。传统的气动参数辨识工程算法，诸如极大似然法，需要给出合理的飞行动力学模型以及待辨识参数的初值。基于传统神经网络的气动参数辨识可以避免飞行动力学建模过程，这种方法需要通过增量法、导数法间接地从神经网络提取气动参数。本文提出了一种基于物理信息神经网络的飞机气动参数辨识方法，可将含待辨识参数的飞行动力学模型作为正则项加入损失函数，直接辨识得到气动参数。该方法可以显著减少建模数据需求，也能提高建模精度。飞行仿真数据验证结果表明，该方法的无噪声、含2%噪声仿真数据，纵向飞行状态空间模型辨识最大相对误差分别为1.80%、4.64%，表明了基于物理信息神经网络的飞机气动参数辨识方法具有可行性，并对含噪声的飞行数据具有泛化性。     

小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制研究

以某小型无人直升机为对象,采用分体法分析了机体各部分受力情况。根据力与力矩的平衡关系,获得了无人直升机完整的非线性飞行动力学数学模型。基于所建模型,进行了所有飞行状态下无人直升机的配平计算。根据配平结果,获得了悬停时的线性状态空间模型,在考虑风扰动前提下,采用H∞静态输出反馈控制方法对无人直升机内外回路控制器进行了设计。仿真结果表明,所建模型的配平结果与实际直升机特性基本相符,验证了模型的有效性;H∞综合控制方法较好地实现了对扰动下无人直升机状态的控制,表明该算法具有良好的鲁棒性、解耦性及跟踪特性。     

某型无人直升机前飞段仿真建模与试飞验证

针对某型无人直升机无铰式旋翼技术验证和飞行试验需求,建立了能够用于实时仿真的非线性飞行动力学模型,并基于经典PID控制算法完成了飞行控制律设计。为验证理论模型准确性和控制参数合理性,相继开展了盘旋飞行和大速度飞行的半物理仿真和飞行试验,并基于飞行试验控制效果评估完成了部分控制参数的优化设计。数据分析表明:半物理仿真和飞行试验的时域响应和配平特性均吻合较好,验证了非线性飞行动力学模型的准确性;飞行试验中无人直升机姿态和速度响应均能够较好地跟踪其设定值,所设计的飞行控制参数能够满足某型无人直升机稳态飞行控制要求。     

无人直升机悬停低速段的不确定性仿真验证

在无人直升机控制律的设计过程中,需要对无人直升机进行建模,并对飞行中产生的一些不确定性因素进行仿真验证.目前,很多不确定性因素的描述是在非线性的环境中加入一些简单的扰动,然而能够确切地描述无人直升机动态特性的非线性模型在MATLAB中很难搭建.为此,文章从工程研究的角度,提出了在无人直升机线性模型组的基础上进行不确定性仿真验证的方法,从物理特性的角度描述无人直升机在悬停低速飞行时的对象特性不确定性,选择不确定或扰动因子;在MATLAB中建立了仿真模型,进行了无人直升机悬停低速段不确定性的验证.此方法简单、快速,并且能正确地反应无人直升机悬停低速段的不确定性,具有一定的工程意义.     

基于黏性涡粒子尾迹模型的高速直升机配平特性分析

刚性旋翼高速直升机旋翼间复杂的尾迹干扰作用会影响其配平特性。针对这一问题，本文采用黏性涡粒子方法来精确计算上下旋翼复杂尾迹流场下的诱导速度，桨叶环量则采用涡面元法进行求解，两种方法耦合建立了尾迹模型。基于此尾迹模型进行高速直升机飞行动力学建模，包括结合刚性旋翼挥舞运动模型和变距操纵模型的旋翼尾迹气动力建模、机身以及平/垂尾气动力建模。同时与风洞试验结果对比，先验证了旋翼气动力模型的准确性，在此基础上，以XH-59A直升机为研究对象，计算得到了0～80m/s速度下的配平特性结果，与飞行试验数据对比良好，验证了飞行动力学模型的有效性。最后分析了悬停及低速前飞时旋翼间尾迹流场干扰对全机配平特性的影响。     

求解直升机协调转弯状态的GA-SM配平与验证

为了能快速搜索到直升机定常飞行状态的最佳平衡点,在分析直升机飞行仿真系统模型的基础上,建立了满足配平问题的目标函数,提出了一种基于混合遗传算法的配平计算分析方法。旋翼气动模型集成了桨叶的挥舞运动、旋翼动态入流模型和非定常动态失速气动模型。以直升机整机动力学模型为基础,详细推导出协调转弯状态下的约束条件和配平控制量。以UH-60A直升机为研究对象,进行了协调转弯的全机配平计算,并与飞行试验数据进行了对比验证。结果表明:脚蹬配平值误差较大,造成误差的可能原因是尾桨倾斜的附加垂向力引起了纵向、横向和航向全耦合;其他配平结果与飞行试验数据吻合较好。     

一种无人直升机飞行力学模型辨识方法研究

研究了一种无人直升机飞行力学模型辨识方法.将状态子空间辨识法和误差预报辨识法这两种不同机理的辨识方法相结合,用于无人直升机飞行力学模型的辨识.通过仿真计算,成功地辨识得到了悬停状态下算例无人直升机的高阶飞行力学模型.结果表明:提出的辨识方法具备状态子空间辨识法和误差预报辨识法各自的优点,不会出现经典辨识算法中寻优过程中出现的局部极小现象以及迭代带来的收敛性问题.     

直升机悬停状态全耦合飞行动力学模型辨识方法

提出了一种基于集员辨识理论的直升机全耦合飞行动力学模型参数辨识方法.该方法针对直升机飞行动力学模型耦合强,难以得到辨识模型和待辨识参数之间显式函数关系的特点,推导并建立了状态空间微分方程形式模型集员辨识的间接辨识算法.通过引入广义噪声的概念以及对其边界的灵活设定,实现了对辨识参数众多、耦合严重且灵敏度差异大的复杂模型的...     

直升机动态逆神经网络模型

以SH－2G直升机辨识模型为对象，采用天并作用函数的多层感知器网络，建立了直升机的动态逆神经网络模型，在直升机越障机动飞行仿真的同时，利用直升机操纵信号和对应的状态作为网络的训练样本，对直升机逆模型进行在线辨识，并给出了仿真结果及其分析。结果表明，该网络对直升机动力学逆模型具有良好的在线辨识效果。     

无人直升机飞行控制技术发展综述

针对无人直升机飞行控制技术发展进行了简要综述。首先，介绍了无人直升机的典型特征、飞行控制系统的设计过程和设计中面临的挑战。然后，系统梳理了适用于中大型和微小型无人直升机的飞行动力学建模技术发展现状，总结了无人直升机的飞行控制算法，对比了各算法的优缺点，阐述了飞行品质发展现状。最后，给出了这一领域未来发展的建议。研究结果表明，无人直升机系统高度复杂，不同建模技术和控制策略各有利弊；在飞行控制系统设计时需综合考虑相关因素，权衡相关指标矛盾；在无人直升机飞行品质评估标准建立时，要充分考虑无人的特点，对有人直升机的飞行品质进行裁剪和优化。     

小型无人机纵向动态特性试验验证

应用气动力估算方法得到某小型无人机的纵向气动力数据;通过风洞试验和飞行试验对估算结果进行动态特性验证,并重点讨论了小型无人机的脉冲激励飞行试验验证。研究发现,选择飞行试验激励信号既要考虑小型无人机的特殊性,又要考虑信号的频谱特性;激励信号的选择为同类飞行测试提供了参考。     

伺服小翼对小型共轴式直升机操稳特性的影响

运用经典的叶素法和一阶谐波理论,推导了计入气动干扰的伺服小翼挥舞动力学方程,建立了带有伺服小翼的小型共轴式直升机飞行动力学模型,以在研的某小型共轴式无人直升机为研究对象,通过数值法计算了该型直升机的稳定性导数和操纵导数。结合直升机的飞行试验,分析了不同安装形式的伺服小翼对小型共轴式直升机的稳定性和操纵性的影响。研究表明:伺服小翼对小型共轴式直升机的稳定性和操纵性有较大的影响,不同安装形式的伺服小翼对直升机的影响不同,其中采用上旋翼加装伺服小翼的直升机操稳特性较好。