摘要: 小型无人直升机具有尺寸小、重量轻、成本低、机动性好、能够垂直起降等优点，在军事和民用领域均具有巨大的应用前景。本文以小型无人直升机为研究对象，针对其非线性建模与控制方法开展了研究，目的是为了建立一个既可保证飞行安全又能充分发挥小型... 展开 小型无人直升机具有尺寸小、重量轻、成本低、机动性好、能够垂直起降等优点，在军事和民用领域均具有巨大的应用前景。本文以小型无人直升机为研究对象，针对其非线性建模与控制方法开展了研究，目的是为了建立一个既可保证飞行安全又能充分发挥小型无人直升机性能的控制系统，为未来的智能空中平台设计打下基础。 本研究主要内容包括：⑴基于雷虎-90模型直升机设计并构建了小型无人直升机实验平台。首先介绍了小型无人直升机的系统构架，主要包括遥控模型直升机、机载航电系统、地面站、振动隔离装置等多个方面。然后设计了相应的传感器数据处理算法和组合导航算法，用于获得系统辨识和飞行控制所必需的直升机状态变量。⑵系统地推导了小型无人直升机的非线性模型并提出了一套可用于确定非线性模型参数的基本方法。首先，根据牛顿–欧拉方程列出了机身刚体动力学方程；根据叶素理论推导了主旋翼动力学模型；考虑锁尾电子陀螺系统，推导了简化的偏航运动学模型。然后，利用遗传算法的全局搜索能力和强鲁棒性，提出了一种可用于参数辨识的自适应遗传算法，并以此为基础提出了一套小型无人直升机非线性模型的参数确定方法。最后运用上述方法确定了所构建的小型无人直升机实验平台的模型参数。⑶研究了小型无人直升机的飞行包络和飞行品质，为控制器提供了性能指标设计依据。首先，结合小型无人直升机的特点，分析了其可用飞行包络，主要包括可用速度、可用加速度和可用角速度；然后，对军用旋翼飞行器驾驶品质规范ADS-33进行裁剪，得到了适合于衡量小型无人直升机飞行控制性能的品质指标，主要包括带宽–相位延迟、快捷性和调节时间等；最后，在飞行包络和飞行品质分析的基础上建立了各通道的参考模型。⑷研究并实现了小型无人直升机的姿态控制。首先，分析了在滚转/俯仰控制中考虑主旋翼挥舞动态的重要性。然后，分别对不考虑挥舞动态和考虑挥舞动态时的滚转/俯仰控制问题进行了深入研究。当不考虑挥舞动态时，挥舞运动被视为类稳定过程，从而角速度动态可采用一阶模型描述；为了克服被忽略的系统动态和不确定性的影响，基于扩张状态观测器设计了滚转/俯仰鲁棒控制器。当考虑挥舞运动时，通过引入状态变换克服了挥舞角不可直接测量的问题，并提出了两种基于扩张状态观测器和滑模控制的滚转/俯仰控制方法。接下来，以锁尾电子陀螺为内环控制器设计并实现了偏航控制器。⑸设计了小型无人直升机的位置控制器。以模型结构分析为基础，将位置控制问题分解为高度控制问题和水平位置控制问题，然后分别设计了高度控制器和水平位置控制器。高度控制器采用动态逆方法设计，引入扩张状态观测器估计系统扰动。水平位置控制器采用双时基分环结构，内环控制器为滚转/俯仰姿态控制器。与传统的位置控制器设计相比，本文在水平位置控制器中引入了加速度反馈补偿以克服被忽略的分力以及干扰的影响。 收起