● 摘要
由于在监控、通信、运输、救援等领域具有广阔的军事和民用前景，近年来无人直升机吸引了世界各国研究者的广泛关注。本文以无人直升机为对象，着重对其飞行控制技术中的建模和控制方面的相关问题开展研究，具体包括以下几个方面：1、建立了无人直升机机理模型，首先定义了各坐标系和运动参数，然后运用坐标系间的旋转变换矩阵，完成了无人直升机的运动学建模，包括姿态运动方程和位置运动方程。无人直升机动力学建模则以Newton-Euler方程为基础，进行了受力情况分析，选取线速度、角速度和姿态角为系统的状态向量，选取四个操纵输入量为作用在直升机上的控制输入，建立了描述无人直升机飞行特性的非线性动力学模型。根据小扰动原理，进行非线性模型的线性化工作，得到了特定飞行状态下的状态空间模型。2、设计并成功开展了某中型直升机系统辨识试验，由驾驶员按照辨识试验要求进行扫频飞行，得到满足辨识要求的飞行数据。根据飞行扫频数据，采用一种改进的直升机状态空间模型的频域系统辨识方法，得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应。将仿生智能计算方法中的微分进化（DE）算法应用于搜索状态空间模型代价函数的最小值，根据机理建模结果拟合频率响应得到线性的六自由度直升机状态空间模型中的待辨参数。频率响应的计算中应用了一种复合窗函数方法，该方法综合不同窗口长度的频率响应得到一组优化的结果，显著增加了动力学模型带宽和频率响应的精度。利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算，说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度。通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据，验证了辨识得到的模型能充分反映无人直升机的飞行动力学特性，可用于飞行品质评估和飞控系统设计。3、提出了一种在工程实践中易于实现的无人直升机路径跟踪控制器设计方法。此方法采用双回路-分时标控制结构，内外回路通过不同的响应时间尺度，使用PID方法分别独立设计内回路姿态控制器和外回路路径跟踪控制器，其中重点研究了外回路路径跟踪控制器的设计方法。根据有人直升机的操纵特点，外回路利用侧偏距以及期望前飞速度设计了用期望姿态角表示的路径跟踪控制器。最后搭建了全系统的Matlab/Simulink仿真模型，用辨识试验得到的直升机模型进行了数值仿真，验证了所提出控制的有效性，并在数值仿真的基础上加入了仿真机、飞控计算机、舵机、SPAN惯导等航电硬件，进行了系统半物理仿真试验，完成了飞控软件的功能测试，改进了数值仿真的控制参数，为系留试验和飞行试验提供了更好的控制参数。4、提出了一种双回路控制结构的无人直升机路径跟踪控制器，其中，外回路设计基于制导律的路径跟踪控制器，通过期望路径与速度推导得到期望姿态角；内回路采用 回路成形方法，完成姿态角跟踪外回路期望，最后以“8”字形轨迹跟踪为例进行了仿真，验证了控制算法的有效性。针对 回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题，利用了GCRD (Greatest Common Right Divisors)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稳定裕度，系统的解耦性和带宽也显著提高，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I级区域的要求。