无人直升机飞控技术研究——特性、控制律与飞控计算机

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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 无人直升机飞控技术研究特性、控制律与飞控计算机 姓名：丁锐 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王道波 20070101 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 无人直升机因其独特的飞行特点而具有日益重要的军事和民用价值。本文在 对无人直升机数学模型分析及飞行控制系统结构功能分析的基础上分别研究了飞 行控制律的设计技术和飞行控制系统的实现技术。 分析了无人直升机的数学模型，借助其小扰动线性化增量方程，对该对象的 稳定性、耦合性等动力学特性进行了分析，并得出了各通道之间的耦合关系。 采用内/外回路结构的控制策略，遵循直升机飞行品质规范 ADS

2、-33C，利用 特征结构配置技术设计了飞行控制系统内回路 RCAH 控制律，实现了纵横向通道 以及航向与高度通道之间的解耦，并解决了其稳定性问题。设计了一种内回路自 适应变系数控制器，并且进行了仿真验证。通过经典控制理论，对姿态、速度及 自动保持飞行模态进行了控制律设计，得到了良好的仿真效果。提出了某无人直 升机的发动机控制策略和控制律。 根据某型无人直升机飞行控制系统设计的要求及飞行控制系统的总体方案， 确定了飞行控制系统的组成和配置，完成了对飞行控制计算机内各功能模块板的 硬件电路的设计、调试及实现，通过系统集成开发了一套全数字、高集成度、高 性能、低成本、小体积的飞行控制计算机。通过专门

3、设计的检测仪进行了测试， 结果表明系统各部件工作正常，达到了系统设计的要求。 关键词：关键词：无人直升机，飞行控制系统，特征结构配置，仿真，飞控计算机 无人直升机飞控技术研究特性、控制律与飞控计算机 ii ABSTRACT Unmanned Helicopter (UMH) has very important application value in military and civilian domain because of its unique flight property. After having analyzed the mathematics model of UMH and

4、 studied UMH control systems, this paper researched on the design technique of flight control law for the UMH and implementation technique for UMH control systems. Firstly, the mathematical model of UMH was analyzed. With the help of the increment function of small signal perturbation, the stability

5、 and dynamics coupling are researched and the coupling relations of the channels are got. After having used an inner/outer loop structure and followed the helicopter handing quality specification ADS-33C, the paper designed RCAH-based response type in inner loop based on eigenstructure assignment an

6、d the inner loop design decouples helicopter dynamics. The parameter optimization was also implemented. A type of adaptive controller is designed and simulation results are provided. The control laws of attitude, velocity and other holding flight modes were designed using the method of classical con

7、trol theory. The simulation results demonstrate that the control system has good characters. Control strategy and control law of the UAHs engine is presented. Finally, the overall scheme was designed according to the requirements and the overall design scheme of a certain type of flight control syst

8、em. Then the structure and configuration of the system were implemented, the hardware of the flight control computer was designed. The results of the tests using special equipment showed that the computer works well, and the requirements of the flight control computer for the certain type of unmanne

9、d helicopter were implemented. Key words: unmanned helicopter, flight control system, eigenstructure assignment, simulation, flight control computer 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单 图 2.1 悬停时的零输入响应14 图 2.2 u=4m/s 时的零输入响应15 图 2.3 u=10m/s 时的零输入响应15 图 2.4 u=30m/s 时的零输入响应16 图 2.5 悬停时的零状态响应18 图 2.6 u=4m/s 的零状态响应18 图

10、 2.7 u=10m/s 时的零状态响应19 图 2.8 u=30m/s 时的零状态响应20 图 3.1 直升机控制器的内/外回路结构图22 图 3.2 可达特征向量的几何解释示意图.30 图 3.3 某型直升机在悬停状态下的零输入动态响应图.36 图 3.4 带前置补偿和状态反馈的系统结构示意图.37 图 3.5 垂向通道 BODE 图 38 图 3.6 横向通道 BODE 图 38 图 3.7 纵向通道 BODE 图 39 图 3.8 偏航通道 BODE 图 39 图 3.9 四个通道的驾驶杆指令响应曲线.40 图 3.10 四通道驾驶杆指令响应曲线.42 图 3.11 俯仰角的外回路设计

11、结构示意图 .43 图 3.12 俯仰角回路/滚转角回路的根轨迹44 图 3.13 ACAH 俯仰/滚转指令响应曲线44 图 3.14 侧滑速度外回路设计结构图.45 图 3.15( )/ ( )v ss与1/s、( )/ ( )v ss与/ v Ts 的频率特性对比46 图3.16侧滑速度回路/前向速度回路根轨迹46 图3.17 TRCPH四个通道的驾驶杆指令响应曲线.47 图3.18高度自动保持结构图.48 图3.19高度保持指令响应曲线.49 图3.20航向自动保持结构图.49 图3.21航向给定指令响应曲线.50 无人直升机飞控技术研究特性、控制律与飞控计算机 vi 图3.22位置自动

12、保持回路结构图.50 图3.23位置自动保持指令响应曲线.51 图3.24发动机转速、供油量及负载功率关系曲线.52 图3.25发动机控制策略原理图.53 图4.1无人直升机飞行控制系统结构框图.60 图4.2飞行控制计算机内部结构示意图.58 图4.3 80486内部结构图61 图4.4计算机主板实物照片.62 图4.5 F/V转换电路原理图63 图4.6 F/V 转换电路性能曲线.64 图4.7 F/V转换电路板实物照片65 图4.8模拟信号滤波电路.65 图4.9模拟信号滤波电路板实物照片.66 图4.10开关信号调理电路.66 图4.11 A/D通道扩展电路67 图4.12开关信号及G

13、PS信号调理电路实物照片67 图4.13飞行控制计算机电源模块电路.68 图4.14电源模块电路板实物照片.68 图4.15底板布局及正面PCB布线图71 图4.16飞行控制计算机实物照片.72 图4.17 CDM计算机主板检测仪.74 图4.18某型无人直升机飞行控制计算机检测仪.78 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表清单 表2.1地面坐标系和机体坐标系的转换关系.8 表2.2不同前飞速度下系统的特征根.13 表3.1理想的闭环特征值和特征向量.35 表3.2实际的闭环特征值和特征向量.35 表4.1飞行控制计算机主板资源配置.62 F160 无人直升机飞控系统设计及实现技术研究 I

14、I 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式表明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景 无人驾驶直升机(以

15、下称无人直升机)是指由无线电地面遥控飞行或/和自主 控制飞行的可垂直起降(VTOL)不载人飞行器， 在构造形式上属于旋翼飞行器， 在 功能上属于垂直起降飞行器1。 无人直升机具有可任意方向飞行，可悬停对预定目标定点监视；雷达反射面 积小，飞行安全性高；起飞着陆场地要求低，地面设备简单等优点。此外，与有 人直升机相比，无人直升机还具有无人员伤亡、造价低和使用灵活等特点，在军 事和民用方面均有着广泛的应用。 世界主要发达国家都非常重视无人直升机的研究与开发，美国从20世纪50 年代就开始研制无人直升机，到1960年8月12日，世界上才首次出现有实用价 值的无人直升机，即美国QH-50A。此后，其它

16、国家相继研制无人直升机，但存 在许多技术难点未能突破，因而发展缓慢。直到20世纪80年代后，随着控制技 术信息技术及传感器技术等的迅速发展，无人直升机技术发展也跃进一个新的 台阶。各种多功能、智能化、高可靠性的无人直升机相继涌出，如英国的舰载“小 精灵” (SPRITE)， 加拿大的CL-227“哨兵” (SENTINEL)， 美国的D-340“POINTER” 等，这些无人直升机在军事和民用上都发挥了很大的作用1718。发展无人直升机 己成为旋翼飞行器发展的一个重要方向。 我国对无人直升机的研究起步较晚，但发展迅速。目前，国内无人直升机研 制最成功是由南京航空航人大学、上海雏鹰公司和中国直升机设计研究所合作研 制的LE11OA，此型无人直升机在2004年底己成功完成超视距自主飞行试验，并 于2005年底交付陆航使用。 此外， 还有南京航空航天大学研制的单旋翼尾桨式 “翔 鸟”无人直升机、总参谋部第六十研究所的单旋翼尾桨式遥控型无人直升机、北 京航空航天大学研制的M-22小型共轴式无人直升机。另外，清华大学及上海交 通大学也正开展