基于自抗扰控制技术的无人直升机位置控制律设计

针对无人直升机抗风性能不足的问题,将自抗扰控制方法应用于无人直升机位置控制律,该位置控制律在常规内外回路控制架构的基础上,外回路采用非线性反馈,利用扩张状态观测器（ESO）进行动态扰动补偿。此文详细阐述了设计方法和工程应用问题。半物理仿真结果表明,该控制方案具有较强的抗扰动性,位置控制精度得到显著提升。     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

小型无人直升机自动起降控制技术研究及验证

针对无人直升机有/无地效悬停状态的飞行特性,综合考虑在自动起飞与自动着陆过程中无人直升机过渡状态存在明显的差异,开展了无人直升机自动起降过程控制特性研究,给出了无人直升机自动起降控制策略及其控制律,进行了半物理仿真,并将研究成果应用到样例无人直升机的自动起降控制中,较好地实现了样例无人直升机的自动起降功能并满足相应的控制要求。     

一种无人直升机自动起降控制策略

无人直升机起降的关键是纵横向姿态保持和滑移控制,以及垂向升降速度的平稳性控制,避免纵横向滑移时受地面约束而引起倾翻和垂向近地颠簸。提出一种无人直升机自动起降控制策略,纵横向利用地面支撑力、姿态和滑移构成反馈控制,垂向利用地面支撑力判断离地和着陆,并通过高度指令牵引控制升降速度。引入地面支撑力反馈控制确保离地瞬时纵横向力和力矩平衡,使无人直升机离地时失去地面约束后能够垂直起飞,引入姿态和滑移反馈抑制无人直升机起降过程中姿态变化和滑移,两者本质上构成并联控制。该策略在某无人直升机试飞试验中获得了成功应用,为无人直升机自动起降技术发展提供有益的借鉴经验。     

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。     

农用植保无人直升机高精度高度控制技术研究

随着农用植保无人直升机这一新型农用机械的推广,对其飞行控制系统的稳定性、可靠性和安全性有了更高的要求.针对农用植保无人直升机基本作业于0.5～2 m的近地空中,考虑到高度对飞行安全和喷洒效果的影响,因此要求更高的控制精度和抗干扰能力.从反馈信号和控制方案两个角度展开对农用植保无人直升机高精度高度控制技术的研究,并通过仿真验证高度精确控制技术的可行性.     

风场环境下主动建模无人直升机改进LQG控制

为了使小型无人直升机在风场环境下稳定飞行,通过将主动建模技术与传统的LQG控制相结合,提出了一种能有效适应模型不确定性的控制方法。该方法将风场对无人直升机的扰动看作随机扰动,并把这种扰动作为参数与机体模型中的状态合并成增广的机体状态量,而后用卡尔曼滤波对其进行实时估计,实时得到扰动的估计值,并将其反馈给控制器以实现对控制器的重构,从而完成对无人直升机的稳定控制。依据建模理论建立了机体的半解耦模型以及大气紊流模型,用该模型进行了仿真,结果表明,本控制方法对大气紊流有一定的抑制作用。     

基于MPC和ESO的无人直升机姿态控制

针对无人直升机在干扰下的姿态跟踪问题,提出了一种基于模型预测控制(MPC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制器。首先,对存在扰动的无人直升机姿态通道进行建模;然后,设计了一种模型预测控制器完成无人直升机的姿态跟踪控制,同时,构造扩张状态观测器对姿态模型控制输入进行补偿,实时估计风扰动等外力影响;最后,通过阵风干扰下的仿真试验,验证了所设计控制器的有效性。飞行试验表明,相比于传统PID控制,所设计的MPC-ESO控制器跟踪精度高、响应速度快、抗扰能力强,具有较好的工程应用价值。     

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。     

无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法

对无人直升机(UH)视觉着陆中基于视觉图像处理的运动状态估计问题进行了研究。介绍了视觉着陆原理,分析了运动估计、特征图像处理与着陆控制间的关系,推导并建立了UH相对着陆平台位姿估计算法、线速度与角速度估计算法。相邻两帧图像对应特征点像点位置为位姿估计算法提供数据,一帧图像特征点像点位置及其对应像点平移速度为线速度与角速度估计算法提供数据。利用UH着陆控制仿真数据模拟UH着陆运动过程中像点位置及其对应平移速度的视觉图像处理结果。仿真验证了运动状态估计算法,结果表明所提出的运动状态估计算法能有效地利用视觉图像处理结果数据估计出UH的位置、姿态、线速度和角速度。