硕士论文 小型旋翼无人机的机动飞行控制
摘 要
和大型的无人机相比，小型无人机造价便宜，携带方便，机动性好，特别是旋翼型的无人机，它具有垂直起降，悬停的功能，所以非常适合在低空和狭窄的环境中使用，在军事和民用领域都具有很好的应用前景。
本文主要解决基于无人机六自由度刚体模型的控制器设计问题。首先介绍了小型旋翼无人机的系统构成、每个部分的作用、系统的特点以及控制难点，然后详细回顾了各种建模方法和控制方法，并且进行了总结对比。
关于控制器的设计，本文介绍了一种分内外环控制结构：外环是位置控制，时间尺度慢；内环是姿态控制，时间尺度快。基于该结构，先把双预测PI控制方法同时用于位置和姿态的控制，接着对外环设计了三预测PI控制器，它不需要速度信号，定点跟踪精度高，但是动态跟踪能力较差；还详细讨论了在考虑传感器测量噪声的情况下线性扩张状态观测器的设计问题，把它用于估计无人机的速度和内外扰动，再把基于该观测器的自抗扰控制用于位置的控制。最后还介绍了一种不分内外环的控制结构，采用自适应滤波反步的方法估计无人机的质量并且用李亚普诺夫函数证明了控制系统的稳定性。
本文用MATLAB/SIMULINK进行了仿真，结果表明设计的控制律能很好应对无人机质量变化，风的干扰，执行器时滞，轨迹跟踪效果良好，提出的扩张观测器结构能准确估计速度和干扰，同时有效地抑制测量噪声，不过每种方法都有自己的不足，需要看具体情况选择不同的方法。不同于先前的很多控制方法，本文在解决上述的问题的同时，没有使得控制器结构变得很复杂，参数调节也非常容易。
关键词：小型无人机，时间尺度，双预测PI，三预测PI，线性扩张状态观测器，自抗
扰控制，自适应滤波反步
I
Abstract 硕士论文
Abstract
Compared to its full-size counterpart, small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is much cheaper, easier to carry and more agile, and especially the rotary-wing class, with its ability of hovering, taking off and landing vertically, is very suitable for flying in low-altitude and cramped space, so it is expected to be used widely both in military and civilian domain in the future.
This paper is mostly concerned with controller design for UAV based on its six degree of freedom dynamics. First, it gives a brief introduction to the main parts comprising UAV platform and the function of each part, and then analyzes the characteristics of the system and difficulty in designing a controller. After that, a comprehensive review and comparison is made on various modeling and control techniques.
About the control law design, a control structure with inner and outer loop separation is introduced. Outer loop and inner loop is respectively about the control of position and attitude, also the time scale of the former is slower than the latter. Using this structure, Double Predictive Proportional and Integral (DPPI) controller is selected both for the control of inner loop and outer loop, afterwards, Triple PPI, which is proposed instead of DPPI for outer loop, does not need speed signal, but can only achieve high precision set-point tacking and shows low accuracy in following dynamic path. Considering the importance of speed signal, a detailed discussion is carried out on how to design Linear Extended State Observer (LESO) to estimate speed, internal and external disturbance in presence of measurement noise, Active Disturbance Rejection Control (ADRC) based on LESO is then used for outer loop control. At last, a control structure without time scale separation is introduced, and adaptive Command Filtered Backstepping (CFBS) is devised to estimate the mass of UAV, stability proven using Lyapunov Function.
All the proposed control laws are tested in MATLAB/SIMULINK and the results show，on the whole, they can effectively deal with mass variation, wind disturbance and input delay with good tracking performance, although each approach has its own flaws and can be chosen according to characteristics of the real platforms. The LESO designed is able to estimate speed and disturbance with good accuracy while attenuating noise. Unlike many precious methods, this paper manages to maintain a relatively simple design and tuning procedures while solving the problems above.
Key Word: Small UAV, time scale DPPI, TPPI, LESO, ADRC, adaptive CFBS
II
硕士论文 小型旋翼无人机的机动飞行控制
目 录
摘 要 ................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................... II 1 绪论 ................................................................................................................... 1
1.1 课题的意义和面临的挑战 ......................................................................................... 1 1.2 小型无人机系统构成 ................................................................................................. 2
1.2.1 模型飞机 .......................................................................................................... 2 1.2.2 机载控制系统 .................................................................................................. 3 1.2.3 其它 .................................................................................................................. 4 1.3 小型无人机系统特点 ................................................................................................. 5 1.4 本文研究的主要内容和结构安排 ............................................................................. 5
2 小型旋翼无人机建模和控制方法 ................................................................... 7
2.1 小型旋翼无人机建模辨识方法简介 ......................................................................... 7 2.2 线性模型及其控制 ..................................................................................................... 8
2.2.1 模型辨识方法 .................................................................................................. 8 2.2.2 机理建模方法 ................................................................................................ 10 2.3 非线性模型及其控制 ............................................................................................... 11
2.3.1 基于六自由度刚体模型的建模 .................................................................... 11 2.3.2 基于NLARX模型的建模 ............................................................................ 12 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 13
3 内外环的控制结构 ......................................................................................... 14
3.1 引言 ........................................................................................................................... 14 3.2 飞行动力学[19] .......................................................................................................... 14
3.2.1 六自由度刚体动力学 .................................................................................... 14 3.2.2 力和力矩 ........................................................................................................ 15 3.3 双预测PI控制器(DPPI) .......................................................................................... 17 3.4 飞行控制律设计 ....................................................................................................... 18
3.4.1 位置控制 ........................................................................................................ 18 3.4.2 姿态控制 ........................................................................................................ 20 3.5 仿真 ........................................................................................................................... 22 3.6 三预测PI控制器 ..................................................................................................... 28 3.7 本章小结 ................................................................................................................... 31
4 基于扩张状态观测器的无人机飞行控制 .................................................... 32
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目录 硕士论文
4.1 引言 ........................................................................................................................... 32 4.2 扩张状态观测器 ....................................................................................................... 33 4.3 飞行控制律设计 ....................................................................................................... 37 4.4 仿真 ........................................................................................................................... 40 4.5 本章小结 ................................................................................................................... 48
5 不分内外环的控制结构 ................................................................................. 49
5.1 引言 ........................................................................................................................... 49 5.2 控制律设计 ............................................................................................................... 49 5.3 控制器的稳定性 ....................................................................................................... 51 5.4 仿真 ........................................................................................................................... 52 5.5 本章小结 ................................................................................................................... 56
6 总结与展望 ..................................................................................................... 57 致 谢 ............................................................................................................. 58 参考文献 ............................................................................................................. 59 附 录 ............................................................................................................. 63
IV
硕士论文 小型旋翼无人机的机动飞行控制
1 绪论
1.1 课题的意义和面临的挑战
狭义地说，无人机就是具有自主飞行能力的飞行器；广义地说，它还应包括地面监测站，中继通信站，协助导航的卫星等，也就是一个完整的系统。由于是无人驾驶，其设计时可以大大节省驾驶舱的空间，从而减小尺寸和重量；也不需不考虑人的生理承受能力，这样可以提高机动性能，超长时间在高空停留；也能够执行非常危险的任务。因此，在二十世纪二十年代，英国就开始了对无人机的研究工作。接着，美国和苏联也进行了很多探索。三十年代以后，无人机及其相关的技术发展迅速，表现出了与同期有人驾驶飞机相似的飞行性能。经过四十年代的向低空、低亚音速方向发展到五十年代的向高亚音速和超音速发展，六十年代无人机的研制与开发进入繁荣时期。到了七十年代，无人机进入多用途发展时代。过去的几十年内，无人机的作战能力在几场战争中的得到很好的展示。当然了，无人机不只是能用于战争中的侦查，巡航，攻击，还可以被用于其它领域[1][3]，比如森林防火，科学勘测，打击边界犯罪，预测灾情以及工程建设等。我国研制无人机已有几十年的历史，成功研制出了长空一号无人靶机系列，长虹高空高速无人侦察机，T-6通用型无人机，Z-5系列无人侦察机。但从总体上说, 我国无人机装备同发达国家相比仍有很大差距，不能满足高技术战争的要求。
无人机发展的一个趋势是微型化[2]。关于什么是微型无人机目前定义不是很明确。不过确定的是它有些独特的优点：造价低；目标小，雷达和可视信号弱，所以隐蔽性好；携带方便，能够在非常狭小的环境中执行各种任务。而旋翼无人机具有倒飞，垂直起降，悬停等优点，更加适合在低空狭窄的环境应用。旋翼又可以分为单主旋翼加尾翼，四旋翼，共轴双主旋翼，它们很大的一个区别是抵消反扭矩的方式上。本文主要讨论主旋翼加尾翼型无人机，它是靠尾翼来抵消主旋翼的扭矩。小型旋翼无人机系统的建立和控制设计比较困难。因为体积小，选择的电池功率有限，所以选择的设备功率要尽量小，飞行时间也不长；发动机提供的升力不大，决定了有效载荷也较小，要使用轻且强度大的材料；对风的干扰比较敏感；系统建模不容易；传感器等设备在无人机内的空间布置需要仔细规划。越是小的飞机越难做。然而随着材料技术，微机电技术和嵌入式技术的发展和成熟，小型旋翼无人机系统的建立变得可行，过去的二十年里受到了很多重视。到目前为止，已经有很多科研机构建立并测试了自己的无人机系统。[3]回顾了微型旋翼无人机的发展历史，简要介绍其建模方法和系统构成，并且列出了一些结构和它们的无人机名称。虽然目前已经能够实现旋翼飞机的起飞、悬停、前飞等，但是小型飞机的机动性远没有被开发出来，再者，小型无人机特殊的使用环境决定了GPS信号不是时时可用，因此如何使用其它的位置测量方法，比如近些年来出现的基于视觉的传感和控制方
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