Analysis of an Improved IMU-Based Observer for Multirotor Helicopters

Multirotor helicopters are increasingly popular platforms in the robotics community. Making them fully autonomous requires accurate state estimation. We review an improved dynamic model for multirotor helicopters and analyze the observability properties of an estimator based on this model. The model allows better use of IMU data to facilitate accurate state estimates even when updates from a sensor measuring position become less frequent and less accurate. We demonstrate that the position update rate can be cut in half versus typical approaches while maintaining the same accuracy. We also find that velocity estimates are at least twice as accurate independent of the position update rate.     

一种多旋翼飞行器的设计及实验验证

传统多旋翼机具有欠驱动特性,且平移、旋转运动均存在强耦合,极大地限制了飞行器的机动性能.为此本文设计了一种具备全向运动、推力矢量控制飞行、倾转悬停功能的多旋翼飞行器.该飞行器结构为正四面体,4个倾转旋翼模组分别固定于该四面体的4个顶点.每个倾转旋翼模组能够提供矢量推力,从结构上实现了飞行器姿态控制和位置控制的解耦,使得飞行器能够实现3维空间中全姿态的轨迹跟踪.为避免欧拉角控制产生的奇异性,设计了基于四元数的姿态控制器.利用可控性原理分析了旋翼发生故障时飞行器的可控性,证明了相比传统飞行器它具有更高的容错性.样机实验测试了该飞行器的大角度复杂机动动作以及推力矢量控制飞行能力,可实现最大70°的倾转悬停.实验结果表明,该飞行器相比于传统的四旋翼飞行器具备更高的机动性.     

直升机旋翼/尾桨集流环综合测试设备的研制

为满足直升机旋翼/尾桨集流环电气修理与自动测试需要,基于自动测试理论与注流法,研制一台旋翼/尾桨集流环综合测试设备。该设备采用"工控机+各种程控部件+伺服电机(实验台)"架构,搭建综合测试设备硬件平台,并基于VC++,开发相应测试软件。针对某型旋翼/尾桨集流环,对其性能进行实际测试,测试结果表明其有效性。所做研究对于直升机旋翼/尾桨集流环的电气性能测试具有借鉴意义与参考价值。     

三种直升机旋翼共锥度测量新方法

直升机旋翼共锥度是旋翼动平衡测量的一个重要参数;它直接影响直升机机动性能、安全性能等多方面重要指标;针对在旋翼高速旋转的状态下测量共锥度值的系统特点,介绍了3种基于摄像机成像的直升机旋翼共锥度测量新方法,利用摄像机采集光源在桨叶上的成像信息,对图像进行处理、计算,从而得到直升机旋翼的共锥度值;对每种方法的基本结构、计算方法进行了较详细的介绍,该方法结构简单,安装方便,可实现对直升机旋翼共锥度值较高精度的测量,具有较高的实用价值.     

直升机旋翼动平衡测量方法研究

为实现直升机旋翼在高速旋转过程中动平衡值的测量,提出了一种基于阶次跟踪的测量方法。该方法首先利用阶次跟踪原理对旋翼转速信号进行等角度重采样,确定重采样的时刻值;然后利用等角度重采样时刻值,对经三次多项式最小二乘法曲线拟合后的振动信号进行二次重采样,得到旋翼振动阶次重采样信号;最后利用离散傅里叶变换方法对其进行阶次谱分析,得到旋翼的动平衡值。该方法有效克服了传统频谱分析方法在分析非平稳信号中存在的频率混叠及能量泄露等问题;同时,该测量方法通过软件实现具有较好的可移植性,能与其他直升机减振分析模块一起使用。通过在仿真试验台及试验机上进行验证试验,结果表明,该方法能有效测量直升机旋翼的动平衡值。     

基于光斑成像的直升机旋翼共锥度测量方法

直升机旋翼共锥度值是直升机旋翼动平衡试验中测试的一项重要指标,它关系到直升机的安全和各方面性能,针对在旋翼高速旋转的动态下进行旋翼共锥度测量的特点,设计了一种基于光斑成像的直升机旋翼共锥度测量方法,给出了系统基本构成和测量原理,并进行了系统误差分析;该方法是一种非接触式的测量方法,在测量旋翼锥度差的同时,还可以测出桨叶的桨距角,可实现对直升机旋翼共锥度较高精度的测量;该方法具有较高的实际应用价值。     

某旋翼试验台振动信号的采集与预处理系统

介绍了某直升机旋翼试验台的振动数据采集和预处理系统的设计和组成.其中信号采集系统分为两大部分:一部分根据同步脉冲测量旋翼转速、周期;另一部分由同步脉冲信号控制A/D转换器实现定点触发采集数据.信号预处理包括原始信号的降噪和整周期重采样.对比研究了时域平均和小波分解技术的降噪能力,结果表明该系统简捷有效.     

直升机双旋翼气流纵向稳定性恢复方法仿真

直升机双旋翼在工作过程当中受到气流的纵向干扰,出现稳定性偏移现象,需要消耗较长的恢复时间.对直升机双旋翼气流纵向稳定性恢复方法进行优化设计.建立直升机运动坐标系,并在坐标系上构建直升机双旋翼的运动状态方程,通过运动状态方程来判断双旋翼的运行状态.在双旋翼的不同状态下计算气流纵向动力,计算结果即为稳定性恢复幅值.最终利用...     

基于CUDA的直升机旋翼桨叶挥舞角快速测量方法

针对基于立体视觉的直升机旋翼桨叶挥舞角测量CPU串行算法耗时多、效率不高的问题,利用图像处理单元(GPU)并行计算的优势,提出一种基于CUDA统一计算设备构架的并行处理快速算法.首先,对算法中最耗时的图像去噪、阈值分割、连通域标记三部分进行并行化设计;然后,采用多层次并行策略将大量密集运算分配到不同的图像处理单元上并行执行,利用共享内存和共享寄存器加速数据访问;最后,进行多次测量实验,结果表明该方法执行效率明显高于CPU串行方法,可满足旋翼桨叶挥舞角快速测量的要求.     

直升机变论域模糊自适应缆位控制系统设计

针对模糊控制适应性差和控制精度低的问题,提出了一种改进的变论域模糊自适应控制器.提出了参考缆位角的计算方法并设计了相应的直升机缆位控制器.研究用于连续域寻优的改进蚁群优化算法,用于动态调整模糊控制器论域的伸缩因子,从而构成基于蚁群算法的变论域模糊自适应控制器.将该控制器应用于直升机缆位控制系统,控制直升机地速保持在零附近,同时实现缆位角的精确控制.     

Real-Time Implementation of Decoupled Controllers for Multirotor Aircrafts

In this paper, a practical controller design method is presented to control six degrees of freedom multirotor aircrafts–quadrotors. The quadrotor system is divided into four subsystems; that is, the longitudinal, lateral, yaw, and height subsystems. Then, a linear and decoupled nominal model is obtained for each subsystem, whereas coupling and nonlinear dynamics, parametric perturbations, and external disturbances are considered as uncertainties. For each subsystem, a decoupled robust controller is then proposed. Although there exist coupling between each channel, the output tracking errors of the four subsystems are proven to ultimately converge into a-priori set neighborhood of the origin. Finally, real-time implementation results of the decoupled controller are given to demonstrate its viability and applicability.     

基于DSP的直升机旋翼转速信号变换器设计

针对直升机旋翼转速指示系统的特点,以高性能DSP芯片TMS320F2812为核心,采用数字化检测和信号处理技术,对原模拟式旋翼转速信号变换器进行了系统级兼容的改型设计.数字化技术的应用使得系统质量减轻,且精度和可靠性大为提高,实践证明新设计在保留原有电气接口特性的同时又达到了旋翼转速的指示要求.     

直升机尾桨叶疲劳试验技术的研究

基于直升机尾桨叶疲劳试验技术研究的现状,对尾桨叶疲劳试验实现技术进行了重点阐述.根据尾桨叶疲劳试验的加载及测量要求,结合尾桨叶构型特性,设计制造了可同时对尾桨叶施加离心力、挥舞力、摆振力、扭力及法兰盘压载荷的尾桨叶疲劳试验台,并说明了尾桨叶疲劳试验台的工作原理.通过应用对尾桨叶粘贴应变片的方法测得了 3件尾桨叶疲劳试验...     

基于WPT和t-SNE的直升机桨叶损伤特征提取

旋翼桨叶的损坏可能会导致直升机坠落损毁,开展桨叶健康状态的在线监测评估对保障飞行安全至关重要。提出一种将小波包变换(WPT)与t-分布随机近邻嵌入(t-SNE)相结合的桨叶损伤识别方法。首先利用振动台模拟直升机服役时的真实振动,用传感器获取不同故障桨叶模型在振动环境下的输出响应。然后对信号进行小波包分解,提取小波包能量作为原始特征向量,接着用流形学习对特征向量进行维数约简,最后输入到K近邻分类器进行故障识别。实验结果表明:首先,在原始特征选取方面,小波包能量特征优于时域特征与小波包能量组合成的混合特征;其次,t-SNE的降维效果优于PCA、Sammon映射、LTSA、HLLE、SNE这5种方法,且不受嵌入维数的制约。研究结果证明了所提出的方法能提高桨叶损伤评估的准确性。     

利用模糊系统的直升机的自适应控制

针对直升机动力学为非线性,且存在不确定因素和状态变化,设计利用模糊系统的自适应控制器.设计的控制器是系统的输出跟踪参考模型输出的直接调整模糊控制器参数的自适应控制器.又利用Lyapunov函数保证了闭环控制系统的稳定性并推导最优的自适应规律.实验结果表明,有外部扰动的情况下所设计的自适应控制器比模糊控制器对直升机控制具有良好的动态响应和稳定性,是一种非常有效的控制方法.     

Instability and Unboundedness Analysis for Impulsive Differential Systems with Applications to Lurie Control Systems

The present paper is dealt with the problem of the instability and unboundedness of impulsive differential systems. Numerous impulsive control systems were reported in the literature. The existing results give sufficient conditions for stability or boundedness of the system. If a system fails such conditions, it might be stable or unstable, bounded or unbounded. The most dangerous among these possible cases are unstable and unbounded ones. To our best knowledge, no criterion is available now to check these two cases. Thus, this paper presents some sufficient conditions on instability and unboundedness of impulsive systems, specializes them to Lurie control systems, and validates them with three illustrative examples.     

基于双目视觉的直升机旋翼桨叶挥舞角测量

为实现直升机旋翼桨叶挥舞角的测量,提出了一种基于双目视觉的测量方法.首先,在直升机旋翼桨叶上均匀布置编码标记点,用已标定的双目摄像机对旋翼桨叶每隔一定角度采集标记点图像;其次,对左右摄像机图像上的标记点进行解码和匹配,得到标记点的左右图像视差,进而计算标记点三维坐标;再次,利用标记点在各个角度下的三维坐标,计算旋翼中心和转轴方向,建立旋翼坐标系;最后,在旋翼坐标系下,根据标记点静止与高速旋转时在同一角度下的三维坐标,计算挥舞角大小.利用风扇叶片进行仿真试验,结果验证了该方法具有自动化程度高和测量精度高的特点,可满足直升机旋翼桨叶挥舞角测量的要求.     

反馈系统的无源性分析及其应用

文中给出了反馈系统为严格无源的条件及绝对稳定性的新判据;提出了设计模型参考自适应控制系统的新方案,该方案使系统具有强的鲁棒性;最后讨论了随机系统参数递推估算的综合方法.     

不确定奇异摄动系统的变结构控制设计与稳定性分析

对一类不确定奇异摄动系统给出一个变结构控制设计方法,并分析了滑动模的动态品质.最后给出一设计实例.