气动干扰下的Hex-Rotor无人飞行器控制器及其飞行实验

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响,并给出了相应的解决方法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型,分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动,同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响。通过原型机验证了提出的方法,结果显示:Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大的外部环境中飞行时,水平位移跟踪误差不超过±4.5m,高度误差不超过±2.5m,姿态角度误差保持在±2°内,较大地增强了飞行器的抗扰能力。结果表明:采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子,从而提高Hex-Rotor飞行器的控制精度和效果。     

倾转变形四旋翼飞行器的设计和实现

针对灾难搜救、军事侦察等应用中的狭窄空间飞行需求,提出一种俯仰姿态可以独立控制的四旋翼飞行器。该飞行器在普通四旋翼飞行器的基础上增加了一个倾转自由度,由一个驱动来独立控制飞行器的俯仰姿态,实现指定倾转角的悬停和飞行。建立了飞行器气动力仿真模型,仿真分析了倾转状态下旋翼间气流干扰对气动力特性的影响。搭建了气动力特性测试平台,通过实验验证了气动力仿真模型的有效性。最后,研制了飞行器原理样机,进行了倾转悬停和倾转飞行实验。研究结果表明,飞行器可以实现接近90°的倾转悬停,同时可以以倾转60°的俯仰姿态稳定飞行,验证了倾转变形四旋翼飞行器穿越狭窄空间的可行性。     

可倾转变形四旋翼飞行器建模与飞行仿真

为了提高四旋翼飞行器在地震灾难现场等内部狭窄空间中的通过性,提出了一种新型的螺旋桨可倾转的四旋翼飞行器。该四旋翼飞行器在传统四旋翼飞行器基础上增加了一个倾转自由度,实现四个螺旋桨同步、同向倾转,进而可以改变飞行器构型来适应狭窄飞行空间。建立了倾转变形四旋翼飞行器动力学数学模型,在Simulink/SimMechanics仿真环境中搭建了四旋翼飞行器动力学模型,设计了串级PID控制器,实现了四旋翼飞行器在倾转状态下稳定飞行,分析了飞行器穿越狭窄空间的飞行动作及轨迹跟踪情况。仿真结果表明倾转变形四旋翼飞行器构型设计和仿真系统是可行的。     

基于时间序列和积分控制的姿态融合算法研究

四旋翼或多旋翼飞行器环境适应能力强、机械结构简单、操控灵活、飞行稳定,应用广泛。其核心算法包含姿态融合算法和飞行控制算法。为估算飞行器最优姿态,提出一种融合闭环控制和时间序列预测法的加速度传感器数据和陀螺仪数据融合的算法。该算法采用时间序列预测法估算加速度传感器、陀螺仪误差,积分控制器修正陀螺仪漂移误差。通过理论分析、MATLAB仿真、四旋翼飞行器实验平台验证,该姿态融合算法对于估算飞行器姿态具有较快的收敛速度和较高的精度,其角度误差、角速度误差极小。     

一种新型六旋翼飞行器的设计

简要介绍了一种新型六旋翼飞行器的设计方案,分析了飞行器的整体结构及其4个主要组成部分的设计要求,实现了通过调节电机转速的方法来控制飞行器的飞行姿态。相对于传统飞行器,其各项性能指标得到了提升。     

四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证

为了解决四旋翼飞行器在外界扰动影响和系统模型参数存在不确定性情况下的精确轨迹跟踪控制问题,设计并验证了一种四旋翼飞行器的非线性轨迹跟踪控制器。首先建立了考虑执行机构特性的四旋翼飞行器数学模型,并将虚拟控制量映射到了实际中对电机的控制;然后通过在反步法轨迹跟踪控制中加入积分项,设计了一种基于积分型反步法的非线性轨迹跟踪控制器,消除模型参数不确定性及外界干扰引起的误差,仿真结果验证了该方法的可行性;最后,利用QBall2四旋翼飞行实验平台,对所设计的非线性轨迹跟踪控制器进行验证,实际飞行实验结果表明了所设计控制器的有效性,提高了实际飞行过程中外界干扰和不确定性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的精度。     

RLV再入段六自由度制导控制律设计

针对RLV再入段六自由度制导控制问题,给出了一种结合高阶滑模跟踪制导律和带干扰观测器的Backstepping姿态控制律的综合制导控制架构,实现了高精度通用RLV的再入六自由度轨迹跟踪的设计与仿真。以HORUS-2B飞行器为研究对象,基于约束预测校正方法规划了再入标称轨迹;针对轨迹运动方程建立了基于高阶滑模的纵向轨迹制导律和侧向制导逻辑,设计了带有干扰观测器的Backstepping非线性姿态控制器,保证RLV姿态角跟踪的快速性和精准度,并将制导系统与姿态控制系统有效融合。通过蒙特卡洛仿真证明了设计的六自由度制导控制律具有良好的轨迹跟踪和较强克服模型不确定的能力。     

一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机的建模与控制

常规旋翼无人机大都采用共线设计,只能产生竖直方向的推力,极大地限制了旋翼无人机在涉及物理交互任务时的应 用。 针对此问题,研究了一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机,采用旋翼转轴非共线的设计方法,可以实现位置与姿态的独立控 制。 提出了一种抑制抖振的改进型积分滑模控制器,并与 PID 控制器、积分反演控制器和传统积分滑模控制器进行对比。 仿真 结果表明,所提出的改进型积分滑模控制器能够实现旋翼无人机位置与姿态的独立控制,并能够有效克服自身模型参数的不确 定性以及外部的风场扰动完成定点悬停与复杂的轨迹跟踪。 实物样机实验结果表明,该设计的全驱动旋翼无人机在长距离横 向运动时能够保持水平姿态, 俯仰角和滚转角误差控制在±2°以内。     

基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现

针对四旋翼飞行控制器姿态数据测量易受干扰、算法实现及设计较为困难等问题,设计并实现了以高性价比的STM32F103VET6微处理器作为主控板的四旋翼飞行器。选用六轴运动组件MPU6050、电子罗盘HMC5883L及气压计MS5611等传感器对飞行器姿态数据进行了实时采集,并结合卡尔曼滤波方法对姿态数据进行了数据融合。在控制算法上采用了非线性双闭环PID来实现两组四个电机的转速控制,并通过遥控器对四旋翼飞行器的飞行姿态进行实时调节。飞行试验表明:基于STM32F103VET6微处理器的四旋翼飞行器能够实现姿态、航向、悬停等控制功能,达到了预期的目的。     

六旋翼机器人运动控制与跟踪控制研究

为了在执行任务期间精确记录数据和稳定的飞行,多旋翼机器人机构需要能够执行长期任务和携带较重的载荷。针对这一问题,对六旋翼机器人关键技术进行了深入的研究。首先,高性能六旋翼无人机的运行需要飞行控制系统,介绍了六旋翼控制系统和本体的设计方法。其次,构建了四旋翼和六旋翼无人机的数学模型,对比了六旋翼与四旋翼控制系统的优缺点。六旋翼飞行器的飞行控制由推力和力矩完成,在俯仰,偏航和横滚分别对螺旋桨的速度进行运动控制。再次,采用模糊自适应PID控制算法设计了一款跟踪控制系统,用一个PID测试控制器进行仿真。并在真实飞行中成功地测试六旋翼机器人,达到了一个理想的效果。而不是使用分析差异,避免跟踪控制器设计过程中的"差异扩展"。最后,仿真结果证明了所提技术的有效性和有效性。     

基于DSP微处理器的无人机飞控系统设计

根据某固定翼飞机的飞行特性,完成姿态回路和导航回路的飞行控制器设计。接着,以DSP28335微处理器为核心,设计出该无人机的飞控系统及地面监测与指令传送系统。最后,对所设计的控制器进行仿真实验,实验结果表明,该飞控系统性能良好,符合设计要求。     

Adaptive compensation control for attitude adjustment of quad-rotor unmanned aerial vehicle

A compensation control strategy based on adaptive back-stepping technique is presented to address the problem of attitude adjustment for a quad-rotor unmanned aerial vehicle (QR- UAV) with inertia parameter uncertainties, the limited airflow disturbance and the partial loss of rotation speed effectiveness. In the design process of control system, adaptive estimation technique is introduced into the closed loop system in order to compensate the lumped disturbance term. More specifically, the designed controller utilizes “prescribed performance bounds” method, and therefore guarantees the transient performance of tracking errors, even in the presence of the lumped disturbance. Adaptive compensation algorithms under the proposed closed loop system structure are derived in the sense of Lyapunov stability analysis such that the attitude tracking error converge to a small neighborhood of equilibrium point. Finally, the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

倾转旋翼机过渡段动态最优控制技术研究

针对倾转旋翼机的最优过渡问题，采用动态最优控制来减小过渡时间、姿态角变化以及缓解驾驶员工作负荷。在飞行动力学模型的基础上引入操纵方程，通过引入操纵量方程来缓解操纵量的跳变；随后将飞行器的最优动态倾转过渡过程转变成非线性动态最优控制问题，引入合理的性能指标，基于序列二次规划算法进行求解；最终以XV-15为例，分析系统各个通道抗风扰能力以及进行全航线飞行仿真。实验结果表明，所设计的过渡段最优控制在倾转旋翼机的各个通道抗风扰性能突出，系统鲁棒性较好，具有较好的实际应用价值。     

飞行姿态模拟器建模及输入受限混杂控制

为进行飞行姿态仿真研究,基于dSPACE建立了地面飞行姿态半物理仿真模拟系统,运用混杂不变集原理和无源控制器设计方法对有界高阶耦合非线性系统进行鲁棒控制器设计.使用Lagrange法建立了具有控制约束的非线性Euler-Lagrange (EL)动力学模型;利用EL系统内在特性,基于非线性状态依赖动态脉冲系统的不变集原理的有关结果和混杂能量控制方法,设计了输入受限的非线性混杂控制器,并进行了数学仿真.最后,将所设计的混杂控制器应用于地面飞行姿态模拟器中进行了半物理仿真实验,得到的动态响应时间为20 s,稳态精度优于5%,超调量约为25%,在外加扰动作用时仍能实现稳定调节.结果表明,给出的饱和控制算法可靠性较强,对系统参数误差和外干扰具有鲁棒性.     

智能自主控制在航迹控制系统中的应用

首先研究了自主式控制系统的关键问题,然后提出一种智能自主式航迹控制系统的结构,采用了模块化设计思想,对直升机对象的航迹控制系统进行设计.还给出了航迹自主控制关键功能模块的算法与具体实现.最后文章给出了系统数字仿真的结果,验证了系统的可行性.     

基于DSP28335的某型靶机系统设计

针对某大型军用无人靶机的实际需求，根据飞行控制相关原理，进行了该靶机的控制系统设计。描述了靶机飞控系统的硬件组成结构，基于DSPF28335处理器，详细分析设计了各组件与飞控计算机的信号输入输出方式。仿真实验表明,该靶机飞控系统控制策略有效，且各机载子系统与飞控计算机能够协调工作。     

基于Simscape的四旋翼无人机建模与仿真

为了加速并简化四旋翼无人机的设计以及进行相关控制算法的实验仿真和验证,针对四旋翼飞行器的机械结构和飞行原理分析了其系统动力学模型,利用牛顿-欧拉方法推导得到机体非线性动力学方程。为了提高四轴飞行器的建模精度和系统完整性,联合计算机辅助设计(CAD)软件和Matlab/Simscape工具箱进行物理系统建模。利用CAD软件搭建的四旋翼三维实体模型导入到Simscape仿真平台构建四旋翼的机体以及动力系统模型,并在此基础上将Simulink设计的控制算法添加到仿真平台,方便进行实验验证和参数整定。仿真结果表明,所设计的飞行器能够较好地实现悬停和轨迹跟踪,满足系统的控制性能要求。     

半实物飞行仿真教学平台的设计和开发

针对飞行控制系统等课程的实验教学要求,开发了一套便携式半实物飞行仿真控制实验平台。该平台把航模飞机、舵机、飞控板和操纵杆等实物接入仿真回路,使用C语言编写系统用户端软件和飞行控制软件。操纵杆产生的操纵指令可通过用户端软件传送给飞控板,飞控板生成控制信号给舵机,操纵舵面实时偏转,实现自动驾驶。将整个仿真回路与FlightGear软件连接,实现飞行视景的三维实时显示,使所设计的半实物飞控实验平台展示效果更加真实,响应曲线与物理动作直接关联,现象更加直观。该平台可以有效增强实验教学效果,提高学生设计飞行控制器的能力,并可为其他控制相关课程提供实验条件。