高空长航时无人机飞行控制系统设计

论文摘要

无人机作为未来航空飞行器的主要发展对象,在军事和民用领域具有广泛的应用价值,已经成为国内外各研究机构的研究热点。飞行控制系统是无人机安全飞行、完成预定任务的基本前提,因此,控制系统的设计与实现在无人机的研究过程中具有重要的意义。本文以某自主式小型无人机为研究对象,研究了无人机的飞行控制方法,并在此基础上设计和实现了无人机的飞行控制系统。论文首先建立小型无人机运动描述所需要的坐标系,推导了坐标系转换关系,分析小型无人机在飞行环境下所受到的力和力矩,建立了其空间六自由度运动学数学模型,用姿态特征和速度变化表征了其常规机动过程。然后,论文对无人机的控制理论方法进行了研究。将无人机控制律设计分解为纵向控制和横侧向控制两方面进行研究,并完成了基于PID控制策略的控制律设计。最后,论文对无人机飞行控制系统-自动驾驶仪进行了设计与实现,包括控制系统总体设计、控制器PCB设计及控制系统硬件连接和程序结构设计。所设计的小型无人机飞行控制的硬件系统能满足性能强、体积小、质量轻、功耗低、数字化等要求。以地面试验和实际飞行试验对控制律和控制系统进行了验证,试验结果表明所设计控制律具有良好的动态品质和跟踪性能,控制系统硬件设计满足工程要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪 论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无人机的发展
• 1.2.2 无人机飞行控制律研究
• 1.2.3 无人机飞控系统硬件设计
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 无人机六自由度运动学模型
• 2.1 坐标系定义
• 2.2 运动参数定义
• 2.3 坐标系转换关系
• 2.4 作用于无人机的力和力矩
• 2.4.1 假设条件
• 2.4.2 空气动力与力矩
• 2.4.3 发动机的推力与力矩
• 2.4.4 重力
• 2.5 无人机六自由度运动方程
• 2.5.1 “机体‐机体”体系六自由度运动方程
• 2.5.2 “气流‐机体”体系运动方程
• 2.5.3 “航迹‐机体”体系运动方程
• 2.6 本章小结
• 第3章 无人机控制律设计
• 3.1 无人机运动方程线性化
• 3.2 无人机控制律设计分解
• 3.2.1 纵向控制
• 3.2.2 横侧向控制
• 3.3 本章小结
• 第4章 无人机飞行控制系统设计与实现
• 4.1 无人机控制系统总体设计
• 4.1.1 无人机典型飞行控制系统的构成
• 4.1.2 自驾仪基本组成和功能
• 4.1.3 电源设计
• 4.2 控制器 PCB 设计
• 4.2.1 主要元器件
• 4.2.2 功耗计算
• 4.2.3 PCB 设计
• 4.2.4 硬件布局及接口定义
• 4.3 控制系统控制程序架构设计
• 4.3.1 硬件连接
• 4.3.2 软件构架
• 4.4 控制系统地面试验
• 4.5 飞行试验
• 4.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录