三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计.docx

航 空 学 报ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａＭａｒ．２５ ２０１３ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．３４９５－５０８ＩＳＳＮ １０００－６８９３ ＣＮ１１－１９２９／Ｖｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ ｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．００８５三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计夏 青 元 ，徐 锦 法 ＊南京航 空航天 大 学 直 升 机旋翼动力学国家级重点实验室 ，江 苏 南 京２１００１６摘 要 ：设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器 ，由三组共轴双旋翼组成 ，各旋翼由直流电机直接驱动 ，只 需 调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹 。 为 使 三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系 统设计得到有效验证 ，研 究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模 ，运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法 ，分 析 了 旋 翼 入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响 ，通 过 试 验 验 证了共轴双旋翼气动载荷计算模型 的 正 确 性 。 由 于 旋 翼 飞 行 器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响 ，难 于 建立非常精确的数学模型 ，给 飞 行 控 制系统设计带来了挑战 。 本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋 转 动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器 ，利用神经网络在 线自适应修正模型逆误差 ，采 用 线 性 ＰＤ 或 ＰＩ控制器调节指令跟踪误差 ，应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进 行 了 仿 真 验 证 ，给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果 ，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 精确的轨迹跟踪控制 。关 键 词 ：无 人 飞 行 器 ；共 轴 旋 翼 ；多 旋 翼 ；气 动 特 性 ；动 态 逆 ；神经网络自适应控制 ；机动科目仿真验证 中 图 分 类 号 ：Ｖ２１２．４；Ｖ２４９．１文 献 标 识 码 ：Ａ文 章 编 号 ：１０００－６８９３（２０１３）０３－０４９５－１４共 轴双旋 翼 直升机与单旋翼带尾桨直升机相 比 ，结 构 紧 凑 、有 效 载 荷 大 并 且 悬 停 效 率 高 （效 率 能 提 高 １７％ ～３０％），在 相 同 量 级 飞 行 器 中 功 耗 低 、效 率 高 ，其 他 飞 行 器 是 难 以 超 越 的 。独 特 的 结 构形式 和优良 的 性能使该类无人飞行器在军事和 民 用 领 域 具 有 重 要 的 应 用 价 值 ，国 内 外 很 多 科 研 院 所 都 在 着 力 进 行 相 关 研 究 ，已 在 共 轴 双 旋 翼 的 气 动 分 析 和 实 验 等方面 取得了很大的进展［１－５］。 尽 管 如 此 ，设 计 共 轴 旋 翼 操 纵 机 构 并 非 易 事 ，制 约 着无人 共轴双 旋 翼飞行器的发展 。为 了 简 化 共 轴 旋 翼 的 操 纵 结 构 ，本 文尝试着设 计新的旋翼构型 ， 力 求 操 控 简 便 。三轴式 六 旋翼构型可以简化无人 旋 翼 飞 行 器 的 操 控 ，六 旋 翼 构 成 ３ 组 共 轴 双 旋 翼 系 统 ，各 旋 翼 分 别 由 电 机 直 接 驱 动 ，控 制 电 机 转 速就 可 实 现 旋 翼 操 控 ，达 到控制飞行器姿态和轨迹 运 动 之 目 的 ，简 化 了 无 人 飞 行 器 操 纵 控 制 ，能 有 效 降 低 研 制 无 人 飞行器的难度和成本 ，有 利 于 推 广 和 应 用 。随 着 无 人 飞 行器 飞 行性能要求的 不 断 提 高 ， 要 求 无 人 旋 翼 飞行器具备自动飞行功能 ，操 控 结 构的简化导致控制 律 设 计 复 杂化 。要 确 保 飞 行 过 程 满 足 飞 行 任 务控制性能要求 ，经典的控制律设 计方法已难以胜任 飞 行 器 飞 行控制系统设计 。随 着 现 代 控 制 理 论 的 发 展 ，出现了许多非线性控制 律 设 计 方 法 ，如 ：反 步 控 制［６］、滑 模 变 结 构 控制［７－９］、非 线 性 Ｈ鲁 棒 控 制 以及反馈线性化控 ∞制［１０］等 。利 用 反 步控制 设计方法得到的 控 制律 计 算 收 敛 性 好 ，但 鲁 棒 性 差 ；滑模变结构控制设计 收 稿 日 期 ：２０１２－０４－１７；退 修 日 期 ：２０１２－０７－０９；录 用 日 期 ：２０１２－０７－２７；网 络 出 版 时 间 ：２０１２－０８－２１１３：５９网 络 出 版 地 址 ：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ１３５９．００５．ｈｔｍｌ基 金 项 目 ：国 防 预