【摘 要】
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无人直升机具有不同的飞行模态,能够实现定点悬停、巡航、自主起降等功能,在农业、民用、军事等领域中应用前景广阔。电动无人直升机环保价值高、使用成本低,是无人直升机的一类重要分支。随着国际上提出“实现经济向绿色经济转轨”的思想,许多国家已经开展了电动飞机的研究,与此同时,我国也开始重点关注电动飞机的研发,其中电动无人直升机就是最热门的研究对象之一。稳定可靠的飞行控制系统是使电动无人直升机能安全完成飞行
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无人直升机具有不同的飞行模态,能够实现定点悬停、巡航、自主起降等功能,在农业、民用、军事等领域中应用前景广阔。电动无人直升机环保价值高、使用成本低,是无人直升机的一类重要分支。随着国际上提出“实现经济向绿色经济转轨”的思想,许多国家已经开展了电动飞机的研究,与此同时,我国也开始重点关注电动飞机的研发,其中电动无人直升机就是最热门的研究对象之一。稳定可靠的飞行控制系统是使电动无人直升机能安全完成飞行任务的基本保障。本文以TREX 700L电动无人直升机作为试验机型,利用机理建模和系统辨识方法建立电动无人直升机的动力学模型,根据Newton-Euler方程建立电动无人直升机的六自由度非线性刚体动力学方程,运用小扰动原理对非线性模型进行线性化处理获得电动无人直升机的线性时不变模型。首先基于所建立的悬停线性模型,针对电动无人直升机的定点悬停控制设计一种串级PID控制器。对姿态、速度、位置回路分别进行控制设计;对自动过渡段设计增稳控制系统;对PID算法进行改进以优化位置控制;使用留待模式实现定点悬停,设计定点悬停纵向和横向位置平移策略。然后,通过飞行试验证明定点悬停增稳控制系统具有一定的抗干扰能力,且响应速度快、稳态误差小。进而,针对直升机在悬停模态的姿态角控制精度不够高的问题,基于扩展卡尔曼滤波算法对姿态信息进行检测和估计,基于ESO-LQG-PI方法对悬停姿态角进行高精度控制。通过仿真验证所提算法的有效性,具体表现为姿态角控制精度不高于±0.5°。此外,本文设计出基于PX4的电动无人直升机的飞行控制系统。以Pixhawk飞控板为载体,通过飞控板与电调连接,电调控制各个电机转速,结合应用GPS、三轴加速度传感器、陀螺仪等传感器,设计基于DAGPS/INS集成系统的无人直升机定位方法。然后,通过地面站与电动无人直升机建立连接,对直升机飞行姿态及实时状态进行监控。最后在设计的飞行控制系统下进行多组飞行试验,结果表明无人直升机具有较好的定点悬停效果。
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