小型无人直升机因其可以悬停、垂直起降、侧飞、后退、低空、避障机动等特殊飞行的突出特点,以及小而轻、隐蔽廉价的优势,无论在军用还是民用领域都有广阔的应用前景。小型无人直升机是个强耦合、静不稳、欠驱动、高阶多变量的时变非线性系统,因此研究小型无人直升机动力学及其飞行控制技术是一个重大的挑战。无人直升机的飞控技术作为国防尖端技术,一直面临西方国家的技术封锁。目前,国外的飞控技术已经解决了中高速自主飞行的问题,个别实现了翻滚等超机动自主飞行。而国内在该领域的研究与国外相比仍有较大的差距,基本停留在中低速自主飞行的水平上。而研究水平的落后并不仅仅因为飞控研究本身的滞后,还因为缺少一个足以描述中高速运动乃至超机动飞行的可靠非线性模型。因此,研究小型无人直升机的非线性运动建模和中高速飞控技术具有重要的理论意义和应用价值。本文借鉴前人的研究工作,综合理论分析和飞行实验,以某型小型无人直升机平台为依托,对常规构型小型无人直升机的建模与控制的理论、方法进行了研究,提出了一整套非线性建模、模型参数确定和覆盖中高速段的前飞巡航控制的理论思想和方法流程,基本解决了小型无人直升机中高速飞控的难题。本文主要的工作内容和创新贡献如下：1)对国内外无人直升机研究现状进行了综述和总结,重点对两大关键技术建模与飞控的研究现状、存在问题和发展方向进行了详细论述和分析。2)通过参考全尺寸载人直升机理论以及分析小型无人直升机特殊结构,用机理分析的方法建立了一个小型无人直升机全状态非线性数学模型。该模型充分考虑了常规飞行模式下影响建模精确度的桨根桨尖升力损失、高频挥舞动态、下洗气流对其他部件的干扰等主要动态细节,其建模复杂度可以满足飞行仿真、控制器设计等应用的需求。3)借鉴文献中的方法,结合当前的实验条件,提出了一整套简单易行的方法,逐一确定了全状态非线性数学模型中诸如主桨升力曲线斜率、机身转动惯量等物理参数的值。将参数值确定后的非线性模型,与实际飞行数据分别就时域响应和频域响应进行了比较,证明该模型具有很高的精确度。4)用得到的高精度的全状态非线性模型,设计近悬停飞行控制器,实现悬停和自主降落控制。先将这个非线性模型用Simulink搭建仿真对象模型,并应用小干扰线性化技术得到了悬停工作点的14阶线性模型。以该悬停模型为基础,通过等效降阶、横纵向解耦等简化近似技术,用频域控制方法设计了一个串级悬停控制器,并成功实现了悬停飞行实验。进一步,以此悬停控制器作为底层运动控制律,根据多种传感器的优缺点设计了一种多传感器组合的无人直升机自主降落控制策略,并成功实现了自主降落飞行。5)提出了相位补偿动态逆控制方法,结合混合指标鲁棒控制器用以实现小型无人直升机中高速巡航的非线性控制,并改善了机动控制性能。由于直升机存在强非线性,近悬停控制器难以应用于中高速飞行。提出线性参数时变(LPV)动态逆方法,由非线性模型导出LPV动态逆,从而实现对覆盖近悬停、低速和中高速的巡航动态的反馈线性化。中高速巡航时,加减速过程往往需要姿态角快速变化,而以往文献中通常忽略不可测的挥舞动态,以简化动态逆的设计,这使得控制器对高频姿态的跟踪性能很差,为此本文根据挥舞模型设计了相位超前补偿器。仿真表明,补偿器使闭环系统具有对高频姿态角的跟踪能力。为了解决外部扰动问题以及参数估计误差造成的模型摄动问题,本文设计了一个D稳定H2/H∞混合鲁棒控制器来控制由相位补偿动态逆反馈线性化得到的广义对象。该控制器与PID控制器进行了仿真对比,仿真表明两种方法均能实现包含中高速段的非线性巡航控制,但是该控制器整定过程不需要经验调参,对模型不确定性鲁棒性也更好。6)提出将旋翼挥舞相位滞后视为纯滞后的动态逆时滞H∞鲁棒控制方法,用另一种控制思路实现中高速巡航飞行模式下对高频姿态角的跟踪。通过这个纯滞后近似,动态逆反馈线性化得到的广义对象变成一个状态和输入都有相同时长的纯滞后的系统。本文推导给出该类型对象的时滞相关鲁棒控制器综合的方法,并用锥补线性化迭代法求解反馈控制矩阵。仿真表明这种控制方法可以实现包含中高速段的非线性巡航控制,对模型不确定性有很强的鲁棒性。另外由于纯滞后假设,该方法对高频姿态的跟踪控制品质比相位补偿方法略有下降,但也有效弥补了相位超前环节本身放大噪声的缺点,解决了执行机构振荡问题。因此,该控制方法是个佷好的折中方案。应用动态逆时滞H∞鲁棒控制方法,样例直升机成功进行了中高速自主飞行实验,进一步验证了该控制方法的有效性。
