无人直升机系统辨识及仿真

论文摘要

近年来,无人飞行器被广泛应用于军用和民用领域。无人飞行器大体上可以分为固定翼和旋翼两类。与固定翼无人飞行器相比,无人直升机具备不可比拟的优势,如垂直起降,悬停飞行,在飞行中更加灵活机动。相对于大型直升机,小型直升机更加灵活机动,却增加了不稳定性。在高性能无人直升机的开发过程中,建立描述典型环境飞行特性的动力学模型不可或缺。在无人飞行器研究领域,基于系统辨识的直升机建模仍然是一项极具挑战性的工作。本文重点介绍以Shuttle SCEADU Evolution型号直升机为基础的无人机系统,阐述了理论建模过程,并对此种无人机的系统辨识工作进行了分析和讨论。主要内容包括:结合空气动力学与物理学知识,建立描述飞行特性的非线性动力学模型;根据小扰动原理,进行非线性模型的线性化工作,为系统辨识提供状态空间模型;设计基于自动扫频控制的数据采集方案,进行实验,收集数据;建立线性频率响应数据库;利用系统辨识理论,在频率域获得动力学模型的参数数值;最后,比较模型仿真输出与实际输出来验证通过系统辨识方法获得的动力学模型。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. INTRODUCTION
• 1.1 Background of UAVs
• 1.2 Related Works on Modeling
• 1.3 Motivation and Goal
• 2. BASIC HELICOPTER THEORY
• 2.1 Coordinate Frames
• 2.1.1 Body Fixed Frame and Hub Path Plane Frame
• 2.1.2 Earth Frame and Inertial Frame
• 2.1.3 Transformations of Coordinate Frames
• 2.2 Physical Parameters
• 2.3 Components of Helicopter
• 2.3.1 Main Rotor
• 2.3.2 Control Rotor （Flybar）
• 2.3.3 Tail Rotor
• 3. AERODYNAMIC MODELING
• 3.1 Shuttle SCEADU Evolution Helicopter
• 3.2 Overview of First-principle Modeling
• 3.3 Rigid-Body Equations of Motion
• 3.4 Extension of Rigid-Body Equations
• 3.4.1 Main Rotor
• 3.4.2 Control Rotor （Flybar）
• 3.4.3 Tail Rotor
• 3.4.4 Fuselage
• 3.4.5 Vertical Fin
• 3.5 Linearization of Dynamic Model
• 4. SYSTEM IDENTIFICATION
• 4.1 Frequency Domain Method
• 4.1.1 Advantages of Frequency Domain Identification
• 4.1.2 Main Steps of Frequency Domain Identification
• 4.2 Collection of Time History Data
• 4.3 Frequency Responses Calculation
• 4.4 Parameterization of Model
• 5. RESULTS AND DISCUSSION
• 5.1 Validation of Model
• 5.1.1 Validation of Model in Frequency Domain
• 5.1.2 Validation of Model in Time Domain
• 5.2 Discussion
• 5.3 Future Work
• REFERENCES