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航空学报 2010年第6期31卷 1171-1176页

作者：雷旭升陶冶北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

针对小型无人飞行器在执行任务时传感器测量精度低、受风场扰动影响大的问题,提出了一种利用矢量域与滑模控制相结合的复合控制方式,有效地实现了对小型无人飞行器的轨迹与航向的自适应跟踪。将复杂航迹分解为直线段与圆弧段分别构建矢... 详细信息

针对小型无人飞行器在执行任务时传感器测量精度低、受风场扰动影响大的问题,提出了一种利用矢量域与滑模控制相结合的复合控制方式,有效地实现了对小型无人飞行器的轨迹与航向的自适应跟踪。将复杂航迹分解为直线段与圆弧段分别构建矢量域,从而确定基于位置误差的航迹信息,并通过机载传感器获得状态和位置信息,利用滑模控制方法抑制风场扰动对小型无人飞行器的影响。试验结果表明,本文提出的控制算法能够保证阵风干扰情况下小型无人飞行器的航迹控制精度,同时具有良好的动态响应。

关键词：小型无人飞行器风场扰动航迹跟踪矢量域滑模控制

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小型无人飞行器控制系统设计

小型无人飞行器控制系统设计

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作者：亚历山大·乌恰耶夫（UCHAEV ALEKSANDR）哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着现代技术在空气动力学,复合材料,惯性导航系统的发展,以及先进的电子技术,机器人技术和计算机技术领域取得的成就,无人驾驶飞机系统有望提高到的一个新的水平。虽然无人机已经扩展到民用和商业,并且在各个领域都以崭露头角,但是不... 详细信息

随着现代技术在空气动力学,复合材料,惯性导航系统的发展,以及先进的电子技术,机器人技术和计算机技术领域取得的成就,无人驾驶飞机系统有望提高到的一个新的水平。虽然无人机已经扩展到民用和商业,并且在各个领域都以崭露头角,但是不管在技术上还是在实用性上都存在一些不足。小型无人机已经在如下领域取得可喜可贺的成就:环境实时监测,空中侦察,专用通信网络,道路交通实时控制,国土远程监控,搜寻搜救等。微型无人机(MAV)的种类取决于固定机翼的尺寸,通常分为两种:第一种无人机(UAV)的机翼长1.5?3米,汽油发动机,需要专用的跑道;另一种无人机机翼长不超过1.5米,通常使用电动马达,不需要跑道。尽管无人机在机翼的尺寸上存在着差异,但是控制方法是通用的,控制对象也是类似的-MAV。在本文中,我们讨论的范畴仅限于固定翼无人驾驶飞机。研究工作主要分为五个部分:(1)这部分主要叙述了无人机操作系统存在的历史问题,分析了研究的目的和相应对的研究意义,提出的论文的整体结构,并讨论了仿真的设计方法。在章节的结尾,分析了系统的组成,系统的控制(自动驾驶的初步评价),并简要讨论了风向对飞机飞行的影响。(2)在第2章中,首先确定飞行器的坐标系和变换矩阵,以及为了接下来求解方程的基准点,在这样的模型中,选定欧拉角。然后,定义基本状态变量,基于牛顿定律的基础上推导运动学(位置和速度之间的关系)和动力学方程(力和力矩之间的关系,以及位移量),在Simulink创建模型。接下来考虑作用在飞行器上动力学方程,以及边界层分离(flow separation effect)效应,模型的结果是12个非线性耦合的一阶微分方程组。这样相应的模型已在Matlab和Simulink建立并分析。由于在飞机的飞行中,气流的扰动起着重要的作用。因此通过矢量三角形理论以及冯·卡门理论建立的湍流模型和基于德赖登理论的随机扰动的传递函数,并且从MIL-F-8785确定湍流模型参数。相应的模型在Matlab和Simulink研究。考虑到六个自由度的飞行器的模型是一组12个方程组成的方程非线性耦合系统,控制器的参数设计起来极为困难。因此,上述飞行器建立的模型(在纵向动力学和横向动力学)需要在平衡位置线性化。这样得到的平衡位置线性化的飞行器(trim flight)模型正是我们需要并研究的。接着,在平衡位置线性化的动力学模型基础上考虑侧滑运动的传递函数(滚动角,轨道角,侧滑角),和纵向运动(俯仰角,高度,空速)。通过奈奎斯特轨迹分析在开环和闭环系统下传递函数的鲁棒性。所有的传递函数的分析表明系统是稳定的或中性的因此,建立的飞行器模型(按照它的微分稳定性)是一种稳定的结构。本章最后在matlab和simulink环境设计的飞行模拟器,对航模的位置,以及飞机的基本参数的值进行实时跟踪。随后,飞行模拟器既可以扩展到研究系统(自动驾驶和系统的初步评估),也可以对系统进行高层次的分析。(3)由于无人机自动驾驶是所有飞行阶段完整的控制系统,其中,典型地自动驾驶系统被分成两个部分,底层系统-用于控制飞行器如高度,空速,航向角;上层的控制系统-来确定飞行路线和遵循的飞行路线。在第三章中,基于闭环反馈的控制系统底层控制系统设计。控制系统设计的想法是现在内环计算简单的闭环系统,然后计算外环即整体的(可能计算所有的比较复杂)控制系统。自动驾驶仪的设计适用于无人机上mav使用的传感器和计算设备。每个控制回路(除横滚和俯仰控制回路以外)设计为pi控制器。对于横滚和俯仰控制回路分别采用pid控制器和pd控制器。对于俯仰角选择pd控制器,是因为积分会对控制回路相应速度产生负面影响的。至于自动驾驶仪的计算被用来解耦动力系统传递函数(decoupledtf)。控制系统被设计为横向和纵向运动。除了考虑控制系统结构的问题,还要考虑系统饱和问题以及对控制性能的影响。为了解决控制器饱和的问题,从信号积分器减去能使信号保持在饱和控制中的变量。此外,引入偏离控制面的最大偏移量。设定每个控制环所需动态响应,并在确定控制器增益的基础上获得典型传递函数。但由于这些公式包括选择用于设计所需要的增益参数,它提出了一种基于根的质量方法。这种方法不仅可以选择所需的动态收益,又保证了控制系统的稳定性。因为有些环路会对外部环路造成影响,所以在选择系统增益,需要考虑不同频率参数之间的干扰。同样地,对于调节飞行器速度和飞行高度,为了实现无人机的纵向运动(通过调节发动机和俯仰角),使用有限状态自动机获得最优的调节高度。无人机控制的研究最初需要测试每个回路的性质和性能。章节的结尾对不同的飞行任务进行了测试(没有气体扰动的影响)。为了测试自动驾驶在大气扰动的影响下,在一个控制机动的形式提供测试信号。这个信号是测试飞机的所有状态,并给出自动驾驶仪给的完整的评估。控制机动研究工作

关键词：小型无人飞行器 EKF LPF 底层飞行控制系统连续闭环方法

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油气田环境巡视小型无人飞行器航姿控制系统

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机器人 2008年第6期30卷 531-535页

作者：雷旭升裴葆青梁建宏王田苗北京航空航天大学机器人研究所北京100191 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 北京航空航天大学机器人研究所北京100191

针对小型无人飞行器在油气田现场采集信息时的高精度控制问题,提出一个自适应卡尔曼滤波算法来获得高精度姿态信息,并采用优化模糊控制方法构建航向控制算法.基于航向误差在线调整飞控参数,为远程控制中心提供精确的油气田现场信息来提... 详细信息

针对小型无人飞行器在油气田现场采集信息时的高精度控制问题,提出一个自适应卡尔曼滤波算法来获得高精度姿态信息,并采用优化模糊控制方法构建航向控制算法.基于航向误差在线调整飞控参数,为远程控制中心提供精确的油气田现场信息来提高决策效率.最后,通过一系列的仿真和实际飞行试验验证了该方法的有效性.

关键词：小型无人飞行器自适应卡尔曼滤波模糊控制

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柔性翼小型无人飞行器试验样机研究

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飞行力学 2007年第3期25卷 71-74,78页

作者：张新哲李锋中国航天空气动力技术研究院第三研究部北京100074

通过对柔性翼小型无人飞行器试验样机的研制试飞和相关气动分析与试验,研究了解决柔性翼小型无人飞行器的气动性能、飞行性能和操纵稳定性的思路和方法。试验样机试飞与相关风洞试验结果表明,可折叠柔性翼小型无人飞行器飞行稳定,操纵... 详细信息

通过对柔性翼小型无人飞行器试验样机的研制试飞和相关气动分析与试验,研究了解决柔性翼小型无人飞行器的气动性能、飞行性能和操纵稳定性的思路和方法。试验样机试飞与相关风洞试验结果表明,可折叠柔性翼小型无人飞行器飞行稳定,操纵反应适当,具有广阔的应用前景。

关键词：小型无人飞行器柔性翼试验样机风洞试验试飞

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基于李雅普诺夫指数的小型无人飞行器稳定性研究

基于李雅普诺夫指数的小型无人飞行器稳定性研究

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作者：陈城南京信息工程大学

学位级别：硕士

小型无人飞行器在飞行过程中,由于近地空间复杂气流等扰动的作用,极易产生钟摆振动、精度降低、失控坠落等运动失稳现象。针对多变量、非线性的小型无人飞行器动力学方程难以建立等问题,通过引入伪速度矢量分析其动力学特性,从而获得更... 详细信息

小型无人飞行器在飞行过程中,由于近地空间复杂气流等扰动的作用,极易产生钟摆振动、精度降低、失控坠落等运动失稳现象。针对多变量、非线性的小型无人飞行器动力学方程难以建立等问题,通过引入伪速度矢量分析其动力学特性,从而获得更简洁的动力学方程形式并以小型无人飞行器为对象,对其进行动力学建模及仿真分析。在此基础上,由于求解动力学方程或李雅普诺夫第二法分析系统的运动稳定性存在着方程难以求解及李雅普诺夫函数难以构建等问题,而优化无人飞行器的结构参数对于提高无人飞行器运动稳定性具有重要意义。因此,本文从机械结构设计出发,通过李雅普诺夫指数方法建立无人飞行器结构参数与系统运动稳定性之间的量化关系,以此指导系统的机械结构设计及控制系统优化,为提高系统执行飞行任务的可靠性和稳定性奠定理论基础。最后,以四旋翼无人飞行器起飞和偏航阶段为对象,通过实验验证理论仿真分析过程中得到的结论。该方法与李雅普诺夫第二法相比最大的优点李雅普诺夫指数计算是其可构建性并使许多负责非线性系统成为可能。

关键词：李雅普诺夫指数小型无人飞行器机械结构参数运动稳定性

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基于小型无人飞行器的三维地貌立体重建

基于小型无人飞行器的三维地貌立体重建

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作者：杜大伟大连理工大学

学位级别：硕士

本文主要研究基于微型飞行器航拍图像的拼接方法。由于微型飞行器体积小，重量轻，极易受到风力的影响，因此其飞行的稳定性比航测飞机差。基于小型飞行器的图像采集平台，很难保证在图像采集过程中，摄像机镜头一直垂直于地面，从而导... 详细信息

本文主要研究基于微型飞行器航拍图像的拼接方法。由于微型飞行器体积小，重量轻，极易受到风力的影响，因此其飞行的稳定性比航测飞机差。基于小型飞行器的图像采集平台，很难保证在图像采集过程中，摄像机镜头一直垂直于地面，从而导致获得的图像之间有较大的旋转和由于摄像机倾斜引起的图像投影形变。论文着重讨论了针对具有大倾角变形的图像进行拼接需要解决的各种问题。\n 论文从计算机视觉的角度提出了一种图像几何纠正方法。利用具有同一个摄像机中心的两幅图像之间的单应关系，计算出待纠正图像与摄像机镜头垂直于地面拍摄获得的标准图像之间的单应矩阵，然后再根据求解的单应矩阵对图像进行重投影。多组实验证明了该几何纠正算法的有效性和可行性。\n 超小型飞行器飞行高度相对低、体积小、重量轻、飞行灵活，起落方便，因此特别适合小区域的图像采集。本文为了实现利用超小型飞行器采集的非标航片生成三维地图的目标，通过对与课题相关的地物测量理论和机器视觉理论的深入研究，确定从机器视觉的角度出发解决地物测量理论中的问题。对超小型飞行器采集的非标航片做预处理，充分利用其彩色信息采用改进的算法对其灰度化。针对非标航片的特点提出了改进的特征点提取和匹配算法，实验并证明其可行性。文中提出了一种新的F矩阵估算算法--加权随机采样法，并且实现了基于这种算法的特征点加密步骤，有效保证了地形地貌的连续性。考虑镜头一阶畸变的两步相机标定算法，更加精确的计算特征点对的世界坐标，生成工作区DEM。在规格网生成技术的基础上采用改进的Delaunay三角网得分治算法，完成工作区三维浏览，最终实现了整个系统的有效运行。\n 本课题在研究过程中充分考虑各种编译环境的优缺点，采用VC++6.0完成软件主系统的编写，无缝处理matlab和VC的接口，利用matlab计算处理相机标定过程等需要大量计算的模块，使用OpcnGL编写三维浏览模块。整个系统软件编写实现了模块化和对象抽象化，系统软件交互性、开放性和可扩充性好，操作简单，便于维护。

关键词：小型无人飞行器机器视觉航拍图像三维地图图像拼接 F矩阵

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基于智能手机运动感知的小型无人飞行器姿态控制

基于智能手机运动感知的小型无人飞行器姿态控制

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作者：张腾哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

小型无人飞行器(UAV)的发展,越来越多的受到世界的关注,各大科技巨头都开始参与小型UAV的研究。小型UAV已经在空中运输、航拍、农业等领域得到了广泛的应用。同时,智能手机也已经在世界各地普及,并且得益于智能手机上集成的各种各样的... 详细信息

小型无人飞行器(UAV)的发展,越来越多的受到世界的关注,各大科技巨头都开始参与小型UAV的研究。小型UAV已经在空中运输、航拍、农业等领域得到了广泛的应用。同时,智能手机也已经在世界各地普及,并且得益于智能手机上集成的各种各样的传感器,能够开发出无数的应用程序。本文将这两种技术结合在一起,实现基于智能手机运动感知的小型UAV姿态控制。为了保证控制小型UAV的准确度,需要保证智能手机自身的空间姿态估计准确、可靠。由于智能手机中的传感器属于低成本的微机电系统,测量误差大,会造成较大的姿态估计误差。因此本文首先对智能手机中的磁力计、加速度计、陀螺仪的校准算法进行了研究,提出了一套不需要借助辅助工具的传感器校准策略。然后,本文通过将校准后的磁力计、加速度计和陀螺仪的测量值进行数据融合,提出了基于最优梯度下降法的姿态滤波器算法,能够准确、稳定的估计出智能手机的空间姿态。最终,通过设计一套无线数据传输设备,将智能手机空间姿态作为控制量传递到小型UAV上,实现智能手机对小型UAV的姿态控制。本文通过使用APM飞控和Open Pilot飞控进行了实际飞行实验,对本文设计的通过智能手机运动感知来控制小型UAV的技术进行了验证,通过实验结果充分证明了本文设计的控制方式能够稳定、实时、灵活的控制小型UAV,并且功能上具有可扩展性。

关键词：小型无人飞行器智能手机传感器校准姿态估计动作感知

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基于频域方法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

基于频域方法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

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作者：陈舒北京理工大学

学位级别：硕士

本文研究利用系统辨识方法为小型无人飞行器建模。建立精确的飞行器数学模式是进行飞行器控制系统设计的基础。系统辨识是建模的良好工具，适用于解决飞行器系统建模这类，对于所辨识模型的结构知道一部分，但有许多未知参数需要确定的... 详细信息

本文研究利用系统辨识方法为小型无人飞行器建模。建立精确的飞行器数学模式是进行飞行器控制系统设计的基础。系统辨识是建模的良好工具，适用于解决飞行器系统建模这类，对于所辨识模型的结构知道一部分，但有许多未知参数需要确定的问题。系统辨识方法是通过大量的实验，测量系统的输入输出之间的动态响应，从而确定系统数学模型的结构。相比传统的数值分析建模方法，对于系统结构信息需求量较小，无需进行大量繁琐而低精度的测量。相比通过风洞试验建模的方法，系统辨识实验所需的经济成本更低，对实验条件的要求更少。同时，系统辨识结果可以与风洞试验结果相互验证，得到更准确的系统模型。因此，系统辨识方法多用于飞行器建模。然而对于小型无人飞行器来说，利用系统辨识方法建模不能完全照搬载人飞机的模型辨识经验。小型无人飞行器可搭载的设备有限，使得机载系统能采集到飞行姿态信息量受到限制，同时，也使系统辨识最优输入难以实现。本文根据所针对的小型无人飞行器结构特点和对其建模的目的，选择合适的系统辨识方法。对时域、频域辨识方案，从适用范围、需求条件、可用工具、制约条件等方面进行对比，最终选择了频域方法进行辨识，并利用频率响应算法，得到合理的辨识准则。本文设计了针对小型无人飞行器系统辨识的飞行实验。该实验可以为系统辨识提供丰富的输入输出数据，能包含尽可能多的飞行器动态响应信息。本文设计了利用机载DSP为飞行器输入自动扫频信号的方法，实现了系统辨识最优输入方案的设计。利用实验数据，通过频率响应辨识和参数模型辨识，建立了飞行器横、纵两个通道的传递函数模型，和多组飞行器舵机与各姿态角速度、加速度之间一对一的频率响应模型，利用这些模型来分析飞行器的动态响应特性并进行飞行器姿态控制系统的设计。为了验证辨识模型的有效性，进行了模型的时域验证，并对模型的误差来源和模型对参数变化的敏感度进行分析。结果证明本文的系统辨识方法有良好的可行性和可信度。

关键词：小型无人飞行器系统辨识频率响应扫频输入模型验证

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应用极大似然法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

应用极大似然法的小型无人飞行器系统辨识方法研究

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作者：于珊珊北京理工大学

学位级别：硕士

小型无人飞行器是一种通过远程操作或自主控制以执行预定飞行任务的工具,近年在军事和民用领域均有广泛应用,而鉴于其气动导数难以获得且具有强非线性等特点,本文采用系统辨识方法为小型无人飞行器进行建模。系统辨识是通过输入输出数... 详细信息

小型无人飞行器是一种通过远程操作或自主控制以执行预定飞行任务的工具,近年在军事和民用领域均有广泛应用,而鉴于其气动导数难以获得且具有强非线性等特点,本文采用系统辨识方法为小型无人飞行器进行建模。系统辨识是通过输入输出数据来获得系统的数学模型,而传统的控制理论对系统进行控制的前提就是需要系统精确的数学模型,因此系统辨识的精度将在很大程度上影响控制品质。同时,建立动态过程的精确数学模型在控制设计和优化等领域的分析和仿真中愈发受到重视,而系统辨识作为有效手段,对动态模型的获取具有很好的适用性。本文根据小型无人飞行器的结构特点和建模目的,选择合适的系统辨识方法。通过对时域、频域辨识方案及经典算法的对比分析,最终选择时域极大似然法。首先,针对某小型无人机,研究其气动特性和发动机推力特性,分析无人飞行器的三轴气动力和气动力矩,建立完整的非线性自由度模型,明确参考坐标系及相关转换矩阵。以此为基础,对无人机飞行控制系统的基本性能、舵面伺服系统性能等提出指标要求,明确模型状态量、控制量、输出量及需辨识参数。其次,通过对模型的标准信号激励,获取模型输出响应。根据飞行器数学模型建立输出误差方程,将极大似然算法首先应用于仿真数据,即通过迭代调整模型参数值,使测量变量(即系统实际输出值)和估计变量(即模型预测值)之间的响应误差最小化,求得仿真参数,该过程是为确定模型和算法的可靠性和可信度。仿真结果极好,证明模型和算法均适用于对该飞行器的研究。随后,进行飞行试验。对稳定飞行过程中的飞行器分别进行不同运动模态的激励,以获得丰富的飞行器动态响应信息。利用机载传感器采集飞行数据后,通过重建无人机的真实飞行轨迹以获得试验误差。最后运用已验证的极大似然算法对无人机进行系统辨识,并对误差来源和模型对参数变化的敏感度进行分析,结果证明本文的辨识方法具有良好的可行性,辨识策略可被接受。

关键词：小型无人飞行器系统辨识极大似然法

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小型无人飞行器吊装设备及进行吊装的方法

小型无人飞行器吊装设备及进行吊装的方法

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作者：李志新李烜许兴旺 150090 黑龙江省哈尔滨市南岗区红旗大街162号301室

本发明涉及一种小型无人飞行器吊装设备及进行吊装的方法。目前无人机技术获得了长足的发展，但其吊装机构不尽人意，舵机机械手的负载是作用在舵机本身上，舵机必须加电，才能承接载荷，否则会造成舵机齿轮变形，停止位变位。本发明组... 详细信息

标准号: CN104648684B

本发明涉及一种小型无人飞行器吊装设备及进行吊装的方法。目前无人机技术获得了长足的发展，但其吊装机构不尽人意，舵机机械手的负载是作用在舵机本身上，舵机必须加电，才能承接载荷，否则会造成舵机齿轮变形，停止位变位。本发明组成包括：壳体（1），所述的壳体内安装有控制主板（2），所述的控制主板包括无线信号采集电路（3）、电源转换电路（4），所述的无线信号采集电路与数据处理电路（6）连接，所述的数据处理电路与电磁铁驱动电路（5）连接。本发明用于小型无人飞行器吊装设备。

关键词：舵机小型无人飞行器数据处理电路无线信号采集吊装设备控制主板电路电磁铁驱动电路电源转换电路不尽人意吊装机构技术获得机械手停止位齿轮变位加电壳体吊装变形承接体内

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