● 摘要
小型无人直升机具有体积小、重量轻、成本低、机动灵活等特点，能实现垂直起降、定点悬停、低空低速巡航等功能，对起飞降落场地要求低，其能够通过自身携带的各类传感器执行侦查监视、情报收集、国土勘测、抢险救灾等任务，在军事与民用领域具有广泛的应用前景。本文针对小型无人直升机飞行任务的需要，开展了系统建模及自主飞行控制方法的研究。采用基于自适应遗传算法的辨识算法得到了小型无人直升机动力学模型，在动力学模型的基础上开展了姿态控制方法、航迹控制方法、自主起飞及降落方法的研究，并完成了相应的飞行实验。论文的主要研究工作及创新如下：1、针对小型无人直升机动力学模型中存在的未知参数，提出了一种基于自适应遗传算法的系统辨识方法。采用自适应交叉、自适应变异算子及基于浓度概率与适应度概率的选择算子，并引入种族迁移与精英保留策略，提高了自适应遗传算法的效率。通过计算辨识数据输入输出相关函数值及互功率谱密度函数，获取了辨识实验数据的频率响应特性，然后利用设计的自适应遗传算法辨识得到了小型无人直升机动力学模型中的未知参数。2、针对小型无人直升机在飞行中存在的干扰（如未建模动态、随机扰动等），提出了一种基于干扰观测器及混合H2/H∞最优PID的姿态控制方法。引入干扰观测器抑制飞行中出现的阵风等低频扰动，并采用二项式法对干扰观测器的关键部分—低通滤波器的结构及参数进行了设计，利用设计的自适应遗传算法辨识得到了满足H∞约束的具有最小H2指标的PID姿态控制参数。仿真及对比飞行实验验证了设计的小型无人直升机姿态控制算法的有效性和优越性。3、针对小型无人直升机飞行模式多样，对飞行安全要求较高的特点，提出了一种基于T-S模糊模型的自主航迹控制策略。将小型无人直升机巡航飞行分解为悬停与前飞两种模式，在飞行过程中两种飞行模式相互交替，并通过T-S模糊模型分别构造了悬停及前飞控制器。飞行实验结果表明，航迹控制策略成功实现了小型无人直升机的自主悬停及多目标点巡航飞行，为小型无人直升机应用于工程实际奠定了基础。4、针对飞行任务对小型无人直升机自主起飞及自主降落的要求，分别提出了一种基于飞控手操纵行为的自主起飞方法和考虑地面效应的自主降落控制方法。通过研究专业飞控手手动操纵小型无人直升机起飞过程，学习飞控手的经验知识，设计了自主起飞控制流程。考虑小型无人直升机在降落过程中存在地面效应的影响，提出了一种考虑地面效应的自主降落控制方法，对地面效应外和地面效应内进行区别控制。飞行实验结果表明，提出的方法能够有效实现小型无人直升机自主起飞和自主降落，同时保证了飞行安全。