小型无人直升机非线性自适应鲁棒控制方法研究

The small-scale unmanned helicopter has considerable potential in both military and civil areas, due to its compact size, light weight, low cost, high maneuverability and ability to vertically take off and land. However, the current control performance is indeed modest, which is not conducive to take advantage of high agility. Aiming at the problems of neglecting the flapping dynamics of main rotor, poor robustness, and decreased control performance result from inner-outer loop control strategy, this project takes the research on the machining mechanism of flapping dynamics acting on the control performance as section start, to construct such a control framework which can explicitly explore the flapping dynamics in the process of control design, the nonlinear extended state observer and sliding mode technique are then adopted as theory tools to derive a robust control method which can be used to the small-scale unmanned helicopter, afterwards the nonlinear adaptive robust control method of small-scale unmanned helicopter is studied by employing multi-loop design theory and integrated design idea respectively, the control performance can be validated by simulations and experiments, and the goal of this project is to improve the control performance and robustness and ultimately promote the development of the control technique of small-scale unmanned helicopter.

小型无人直升机具有尺寸小、重量轻、成本低、机动性好、能够垂直起降等优点，在军事和民用领域均具有巨大的应用前景。但是，当前小型无人直升机自动控制性能保守，不利于发挥其机动性强的优点。针对当前控制实践中未充分考虑主旋翼挥舞动态、鲁棒性较差、分环控制导致控制性能降低等问题，本项目拟以挥舞动态对控制性能的影响机理分析为切入点，构建可显式考虑挥舞动态的小型无人直升机控制框架，在控制器设计过程中充分考虑挥舞动态的影响，以滑模控制和非线性扩张状态观测器为理论工具推导可用于小型无人直升机的非线性自适应鲁棒控制方法，采用分环设计思想和一体化设计思想分别对小型无人直升机非线性鲁棒控制方法展开对比研究，并通过仿真分析和飞行实验进行验证，为改善小型无人直升机的控制性能提供理论和技术支撑，并最终促进小型无人直升机控制技术的发展。

小型无人直升机动力学模型具有非线性、欠驱动和非最小相位等特性，控制灵敏度高，抗干扰能力差，其自主飞行是一个具有挑战性的控制问题，经典与线性飞行控制系统的控制准确性和鲁棒性仍有较大的提升空间。本项目以实验室构建的小型无人直升机系统平台为基础，在小型无人直升机平台构建与非线性系统建模、挥舞动态对角速率动态及控制性能影响机理分析、基于扩张状态观测器的二阶滑模姿态高度控制方法以及有限时间收敛自适应高阶滑模控制方法等方面开展了深入研究。项目研究取得了一些阶段性进展，提出了基于振动时域/频域分析的小型无人直升机平台基本参数设置方法，建立了基于启动段主桨转速频扫输入的机身自然频率测量方法，提出了主桨最优转速设置方法；建立了小型无人直升机非线性模型并分析了挥舞动态对机身旋转动力学及控制性能的影响机理，明确了能将控制性能最大化的状态反馈控制策略；提出了基于扩张状态观测器的二阶滑模姿态高度控制方法，立足通道解耦控制，将轴间耦合建模为不确定性，建立了基于扩张状态观测器的姿态和高度非线性鲁棒控制框架，设计了俯仰、滚转通道的二阶滑模鲁棒控制器、偏航非线性自抗扰控制器和高度非线性自抗扰控制器；提出了一种可指定收敛速度的自适应准最优高阶连续滑模控制方法，将系统模型转换为积分链形式，针对积分链系统设计了有限时间收敛准最优控制，结合自适应高阶连续滑模多输入多输出控制增强了系统鲁棒性，采用李雅普诺夫稳定性理论分析了整个控制系统的稳定性。上述研究结果可用于小型无人直升机飞行控制器开发，有效提高飞行控制性能及系统鲁棒性；同时，相关控制方法的研究可用于类似模型结构的其他被控对象，丰富非线性控制方法。