小型无人直升机鲁棒飞行控制

针对小型无人直升机的全自主飞行控制问题,提出一种基于直升机悬停模型的快速优化H∞鲁棒控制器的设计方法,设计了基于降阶观测器的双闭环的飞行控制器.内环控制器采用H∞鲁棒控制技术,用于直升机飞行姿态的控制;外环控制器采用PD(比例-微分)控制技术,用于机体位移的控制.将设计的鲁棒控制器应用于研制的小型直升机飞行控制系统,实现了风扰环境下直升机的全自主定点悬停飞行.实验验证了该控制方法的有效性和鲁棒性.     

基于LQR的无人直升机姿态控制器设计

无人直升机控制系统是一个易受环境干扰的、各通道相互耦合的非线性系统.为了实现无人直升机能在不同环境下自主飞行,需要设计抗干扰能力强的控制器;采用系统辨识的方法得到直升机横向通道和纵向通道姿态环路的线性系统模型;根据线性最优二次型理论,对直升机横向通道和纵向通道的姿态环路设计了LQR最优控制器,使用MATIAB仿真选取最优控制器参数后,在ALIGN 700N直升机上进行了实际飞行试验,仿真和飞行试验表明,采用LQR控制技术设计的无人直升机姿态控制器具有较强的鲁棒性和实用性.     

云计算环境下的航空器飞行角度控制系统设计

云计算环境下的航空器是一个集大量复杂计算的、实时性较强的控制系统,部分信号的调用需要极高的实时性;传统的控制系统通常采用前后台模块,应用程序无限循环,其采用中断服务程序来处理异常事件,满足不了航空器飞行角度控制的实时性要求;设计了一种融合PID算法的单片机控制程序的航空器飞行角度控制的制系统;构建了云计算环境下航空器飞行角度控制系统的结构,通过姿态数据传感器采集航空器飞行角度信息,对航空器对飞行控制器、电机控制模块以及无线通信模块硬件进行了设计,通过融合PID算法的单片机控制程序实现航空器飞行角度的快速、准确控制;实验结果说明,所提控制系统的控制误差以及鲁棒性都优于传统控制系统,所提的系统具有可靠、灵活、实时性高等优势。     

直升机贴地飞行模型跟踪控制器设计研究

为了设计直升机实施贴地飞行时的飞行控制系统,研究了基于内/外回路控制结构的直升机模型跟踪飞行控制器,引入了模型跟踪性能判据,分析了显模型的动态特性以及增益矩阵等参数的优化设计对控制系统模型跟踪性能的影响;对于贴地飞行中实施的鱼跃障碍机动飞行,设计了模型跟踪控制器,对于直升机对正弦形式垂向速率指令和俯仰指令的跟踪进行了仿真;通过对仿真结果的分析说明了模型跟踪控制技术在直升机贴地飞行控制中性能良好,有很好的应用前景.     

自主飞行机器人导航系统设计

自主飞行机器人系统是以微型直升机模型为载体的复杂系统。在该系统中导航系统采集各传感器数据得到机器人当前飞行姿态、空间位置以及相应的监控信息,控制模块依此监控信息按照给定策略计算并发出控制信号,实现飞行机器人的自主控制。本文对自主飞行机器人导航系统设计及功能实现做出了详细阐述。首先,给出了本自主飞行机器人的系统构造;其次,给出了导航系统的硬件组成部分以及各部分所完成的功能任务;最后阐述了导航系统的功能实现,包括飞行姿态和空间位置的获取。     

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

四旋翼飞行器控制系统的性能决定了飞行效果的优劣,如何改善飞行控制系统使其拥有更良好的表现成为近几年的研究热点。根据四旋翼飞行器的飞行原理,设计了一种新型四旋翼飞行器控制系统。该系统以STM32作为主控制器,配合各姿态传感器实现飞行器姿态及位置的控制,并结合以姿态角为主要误差源的双环结构PID控制器,提高了飞行器的平稳性。经实际飞行验证,该飞行控制系统方案能够取得较稳定的飞行效果。     

直升机飞行控制器设计与仿真

为了改善直升机飞行控制系统的性能,研究了其在前飞状态下的模糊平滑切换控制方法和仿真验证问题。以ADS-33D水平1操纵品质要求为设计目标,建立直升机不同平衡点的线性子模型,采用基于遗传算法的H∞控制器设计方法设计各局部控制器,应用模糊平滑切换策略设计全局控制器,实现直升机在不同速度下的飞行控制,保证了控制过程的平滑性,并用数学方法证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的直升机飞行控制器达到了ADS-33D水平1操纵品质要求。     

直升机飞控系统三维动画仿真平台设计与实现

为了更好地分析和设计直升机飞行控制系统,开发了直升机飞行控制三维动画仿真平台.平台适用于各种直升机飞行控制系统设计与仿真,可以载入和显示各种控制器、直升机模型,并用数字、曲线和三维动画显示仿真结果.仿真平台利用Visual C++ 6.0编程,MFC开发软件主界面,Matlab引擎提供后台计算服务,Creator建立直升机模型和飞行环境,Vega实现实时动画显示,实现了软件间接口平滑、无缝的互连.以UH-60A黑鹰直升机全包线飞行控制系统的设计仿真为例,采用H∞回路成形和定量反馈理论(QFT)相结合的内外回路设计方法,验证了控制方法的有效性和此仿真平台的先进性.     

无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统设计与仿真

为了设计出能适应不同飞行任务的无人旋翼飞行器飞行控制系统,讨论了模型逆控制器原理.提出了神经网络补偿控制器及其权系数在线算法,分析了综合控制器稳定性.导出了无人旋翼飞行器旋转动力学逆控制器和平移动力学逆控制器,设计了姿态内回路控制器和轨迹外回路控制器,确定了共轴旋翼转速驱动电机的控制分配策略.规划了组合机动飞行科目来模拟自动飞行任务.通过仿真验证了自适应飞行控制系统对无人旋翼飞行器水平垂直运动、悬停和航向运动的飞行控制能力.结果表明,所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现姿态与轨迹的稳定和跟踪控制.     

微小型无人直升机建模与姿态控制

建立了微小型无人直升机数学模型,并采用误差预报法进行参数辨识,获得了较高精度的数学模型。应用H_∞回路成形鲁棒控制方法设计了微小型无人直升机姿态控制器,并进行了频域分析,开环控制系统的成型效果良好。在模型浮动20%条件下进行仿真,结果表明控制系统具有较强的鲁棒性。飞行试验获得了良好的控制效果,验证了建模与控制器设计方法的可行性和有效性。     

Control of a laboratory 3-DOF helicopter: Explicit model predictive approach

A helicopter flight control system is a typical multi-input, multi-output system with strong channel-coupling and nonlinear characteristics. This paper presents an explicit model predictive control (EMPC) for attitude regulation and tracking of a 3-Degree-of-Freedom (3-DOF) helicopter. A state-space representation of the system is established according to the characteristics of each degree-of-freedom motion. Multi-Parametric Quadratic Programming (MPQP) and online computation processes for explicit model predictive control and controller design for a 3-DOF helicopter are discussed. The controller design for set-point regulation and tracking time-varying reference signals of a 3-DOF helicopter are presented respectively. Numerical study of explicit model predictive control for attitude regulation and tracking of a 3-DOF helicopter are conducted. A hardware-in-the-loop experimental study of explicit model predictive control of a 3-DOF helicopter is made. To analyze the performances of an EMPC controlled helicopter system, an Active Mass Disturbance System and manual interference are considered in comparison with PID scheme. Numerical simulation and HIL experimental studies show that explicit model predictive control is valid and has satisfactory performance for a 3-DOF helicopter.     

小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,通过系统参数辨识,获得了较为准确的无人直升机姿态动力学模型.并根据无人直升机的动态特性,设计了基于神经网络前馈与滑模控制的非线性鲁棒姿态控制律,该控制律对直升机模型的先验知识要求较低.利用基于Lyapunov的分析方法证明,设计的控制律能够实现对无人直升机姿态角的半全局指数收敛镇定控制,并能确保闭环系统的稳定性.基于姿态飞行控制实验平台的实时飞行控制实验结果表明,提出的控制设计取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有较好的鲁棒性.     

Feedback linearization of the nonlinear model of a small-scale helicopter

In order to design a nonlinear controller for small-scale autonomous helicopters, the dynamic characteristics of a model helicopter are investigated, and an integrated nonlinear model of a small-scale helicopter for hovering control is presented. It is proved that the nonlinear system of the small-scale helicopter can be transformed to a linear system using the dynamic feedback linearization technique. Finally, simulations are carried out to validate the nonlinear controller.     

Trajectory linearization control for a miniature unmanned helicopter

Trajectory linearization control (TLC) approach is applied to design a nonlinear trajectory tracking controller for a miniature unmanned helicopter. The controller is based on nonlinear model derived from Newton-Euler equations, with collective and cyclic pitches being regarded as actual controls. Via model simplifications, the nonlinear helicopter model can be transformed into a cascaded form including four subsystems. Corresponding with the simplified cascaded structure, the proposed controller is constructed by synthesizing TLC designs for subsystems. Each of them includes designs of a pseudo-inversion and an error regulator. A summarized TLC algorithm for the unmanned helicopter is listed briefly after the detailed controller design process. Simulation results are provided to demonstrate performances of the closed-loop system.     

Nonlinear adaptive model following control for a 3-DOF tandem-rotor model helicopter

This paper considers two-input, two-output nonlinear adaptive model following control of a 3-DOF (degree-of-freedom) tandem rotor model helicopter. The control performance is studied by real time implementation of the control algorithms in an actual helicopter testbed. Since the decoupling matrix of the model helicopter is singular, the system is not decouplable by static state feedback, and it is challenging to design a feedback control system. Dynamic state feedback is applied. The controller is designed using a nonlinear structure algorithm. Furthermore, a parameter identification scheme is introduced in the closed-loop system to improve the control performance. Three identification methods are discussed.     

直升机的TSK模糊控制

针对直升机动力学为非线性的特点,且存在不确定因数和状态变化,利用线性控制很难得到好的控制结果,提出利用TSK(Takagi-Sugeno-Kang)模糊系统控制小模型直升机.所设计的TSK模糊控制器是一个基于TSK模糊模型的非线性控制器,能保证闭环控制系统的稳定性.直升机数学模型中线性部分设计状态反馈控制器非线性部分先求TSK模糊模型,然后设计TSK模糊控制器.仿真和实验结果表明,所设计的TSK模糊控制器比线性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.     

无人直升机的姿态增强学习控制设计与验证

针对小型无人直升机的姿态控制问题,考虑到现有基于模型的控制方法对直升机动力学模型的先验信息依赖较大,以及未建模动态系统的影响等问题,设计了一种基于增强学习(RL)的飞行控制算法.仅利用直升机的在线飞行数据,补偿了未建模不确定性的影响.同时为了抑制外界扰动,提高系统的鲁棒性,设计了一种基于误差符号函数积分的鲁棒(RISE)控制算法.将两种算法结合,并利用基于Lyapunov分析的方法,证明了无人机姿态控制误差的半全局渐近收敛.最后在无人直升机飞行控制实验平台上,进行了姿态控制的实时实验验证.实验结果表明,本文提出的控制方法具有良好的控制效果,对系统不确定性和外界风扰具有良好鲁棒性.     

直升机强跟踪自适应变稳控制器设计

变稳控制是直升机飞行模拟的关键技术之一, 气动参数的不确定性是其设计的困难所在. 对此, 提出了利用双目标直升机模型构造原型直升机的强跟踪自适应变稳控制器, 它将强跟踪的反馈补偿机构和自适应控制参数设计相分离, 简化了控制设计, 同时实现了提高自适应参数修正过程的系统稳定裕度和显著降低跟踪误差的目的. 仿真实验结果验证了所提出方法的有效性和可行性.     

无人直升机航向自抗扰控制

针对无人直升机系统航向通道扰动大等问题,本文设计了一种自抗扰控制算法来实现其高性能控制.首先分析了航向通道的动态模型,并通过数学变换,将其转化为一类二阶系统;在此基础上,本文设计了适用于无人机航向通道的自抗扰控制策略,它由跟踪微分器、扩展状态观测器、控制器3个环节构成.本文对所设计的自抗扰控制策略进行了仿真和实验测试,并与常见的串级控制方法进行了对比分析.仿真与实验结果表明:这种自抗扰控制策略具有对扰动抑制能力强、控制精度高等优点,其控制性能明显优于常规的串级比例–积分–微分控制方法.