基于Giotto的无人直升机飞行控制仿真

论文摘要

现代无人直升机的飞行控制系统已经开始向智能化迈进,促使控制系统设计方法发生根本性变化,由单独的回路控制设计向多功能多层次复杂控制设计扩展。控制系统设计的复杂性对控制软件开发效率提出了更高的要求。本文应用Giotto软件提出了一种模块化的飞行控制系统设计方法,可以提高飞控系统软件设计效率。论文分析了无人直升机飞行动力学模块,利用挥舞动力学、刚体动力学和运动学以及力/力矩方程综合生成被控对象模型。采用小扰动假设对模型进行线性化近似,针对控制系统要求对模型进行了降阶处理。详细介绍了Giotto软件,具体讨论了Giotto软件结构特点和应用方法。Giotto的E代码和S代码机制实现了飞控系统设计中功能模块设计和时序逻辑设计相分离。各功能模块采用Matlab语言设计完成,使用S-函数封装程序并在Simulink中进行性能测试。通过Matlab Java编辑器将功能模块程序转换为Giotto可直接调用的Java类对象,实现Giotto程序中功能模块的调用。功能模块的时序安排由Giotto程序中的任务模式进行调用,确保传感器、驱动、输出和控制律计算等对象访问的实时性。应用Giotto和Matlab软件完成了飞行动力学和飞行控制律计算等模块设计,进行了仿真实验。并给出了实验结果,表明应用Giotto软件能有效实现飞行控制系统的模块化设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图、表目录
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 无人直升机研究背景和现状
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 国内外无人直升机研究现状和趋势
• 1.3 无人直升机飞行控制系统发展状况
• 1.4 控制系统软件设计发展状况
• 1.4.1 模块化软件设计思想
• 1.4.2 模块化控制设计软件
• 1.5 研究思路与研究内容
• 第二章 被控对象模型建立与分析
• 2.1 坐标系和坐标变换
• 2.2 无人直升机非线性模型结构
• 2.2.1 挥舞方程
• 2.2.2 力和力矩方程
• 2.2.3 刚体动力学和运动学方程
• 2.2.4 非线性模型及其配平
• 2.3 模型线性化和降阶
• 2.3.1 模型线性化
• 2.3.2 模型降阶
• 2.3.3 降阶模型比较
• 2.4 动态特性分析
• 2.4.1 稳定性与可控可观性
• 2.4.2 操纵性与耦合性
• 2.5 本章小结
• 第三章 Giotto 控制设计方法
• 3.1 模块化控制设计方法
• 3.2 Giotto 简介
• 3.2.1 Giotto 组成
• 3.2.2 E 代码
• 3.3 基于Giotto 控制系统设计方法
• 3.3.1 基于Giotto 设计流程
• 3.3.2 Giotto 编辑器
• 3.3.3 Giotto 程序
• 3.3.4 链接函数
• 3.4 Giotto 时序逻辑特性
• 3.4.1 触发机制
• 3.4.2 调度策略与方法
• 3.4.3 时序特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制系统功能模块设计
• 4.1 功能模块实现工具
• 4.1.1 S-函数
• 4.1.2 Matlab Java 生成器
• 4.2 被控对象模块程序实现
• 4.3 控制律模块程序实现
• 4.3.1 控制律模块设计
• 4.3.2 控制律模块测试
• 4.4 功能模块与Giotto 链接
• 4.5 本章小结
• 第五章 飞控系统Giotto 程序实现
• 5.1 功能模块调用
• 5.2 仿真实验及结果分析
• 5.2.1 仿真系统结构
• 5.2.2 仿真实验
• 5.2.3 仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 本文工作不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文