學科前沿講座-空中機器人

學科前沿系列講座

（五）自動化學院陳慶偉教授2.?????3.????提綱…1.介紹…無人駕駛飛機的發(fā)展

硬件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)

通信系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)的建模和設(shè)計

實際飛行測試示范當前和未來的研究方向

其他類型的無人機平臺

基于視覺的地面目標探測和跟蹤

多無人機編隊飛行

GPS較少的城市和室內(nèi)的導航4.結(jié)束語…

2??介紹測試平臺的搭建一個無線電遙控直升機經(jīng)過將必要數(shù)據(jù)處理，傳感器和由機載、地面軟件系統(tǒng)組成的通信組建整合，升級到一個無人機。無人機被用于開發(fā)建模方法和新的控制系統(tǒng)。無人機的動態(tài)建模這項分支工作的重點任務是對飛行數(shù)據(jù)和對飛行器參數(shù)識別的系統(tǒng)方法進行建模的相關(guān)技術(shù)4??介紹…自動飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計在上一階段所確定的模型是用來設(shè)計的飛行器自動控制系統(tǒng)。新型非線性控制技術(shù)得到了發(fā)展，如H2和H∞控制的現(xiàn)代控制技術(shù)也適用于設(shè)計無人駕駛直升機的先進控制系統(tǒng)。實際執(zhí)行情況和飛行測試該控制系統(tǒng)設(shè)計和集成，將在無人駕駛飛機上得到實施和驗證。我們的目標是實現(xiàn)一個工作良好并能提供良好性的完整系統(tǒng)。5無人駕駛直升機（UAV）系統(tǒng)的發(fā)展78硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制信號 命令

實時數(shù)據(jù)地面站機載系統(tǒng)測量

手動操作遙控手柄

直升機直升機

猛禽90SE 雷虎生產(chǎn)長-1.41m(55.50")寬-0.19m(7.50")高-0.465m(18.25")重量-4.8kg(10.5lbs)主旋翼直徑-1.64m(64.75")尾旋翼直徑-0.26m(10.25")機載計算機系統(tǒng)PC–104計算機堆棧：1）主處理板2）串行通信板3）數(shù)據(jù)采集板4）直流到直流轉(zhuǎn)換器電路板10?慣性測量單元IMU(InertialMeasurementUnit慣性測量單元): HeLion中最重要的傳感器，收集的飛行數(shù)據(jù)包括：1).加速度&速度2).轉(zhuǎn)角3).方向角4).3D-GPS信號11無線通訊系統(tǒng)&伺服控制2.4GHz無線寬帶調(diào)制解調(diào)器伺服控制12軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)板上板上CMM任務命令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

(后面板)命令 (發(fā)送)接聽(接收)命令數(shù)據(jù)...用戶交互

(前面板)>command1>command2positionvelocityattitudeangularrateaccelerationservo(x,y,z)(u,v,w)(a,b,c)(p,q,r)(acx,acy,acz)(aileron,elevator,...…)>,,,rotorrpm...…命令窗口狀態(tài)視窗曲線視窗3D視窗

1314板上軟件結(jié)構(gòu)–執(zhí)行周期

主要部分–主任務,任務管理

IMU:慣性測量單元驅(qū)動

IMUPC104嵌入式計算機DAQ:數(shù)據(jù)采集慣性測量單元DLG:數(shù)據(jù)載入mainDAQ數(shù)據(jù)采集板記憶卡DLGCTLCTL:自動控制CMM SVO無線調(diào)制解調(diào)器CMM:通信

伺服控制系統(tǒng)SVO:伺服驅(qū)動和讀數(shù)

地面站交互練接按鈕

圖形顯示可選的數(shù)據(jù)顯示 3D視窗

在線數(shù)據(jù)顯示儀表視窗命令窗口

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地面站–3D視窗3D視窗真實飛行16動態(tài)建模數(shù)據(jù)采集步驟:1).單通道發(fā)出的仿蟲鳴信號2).多通道發(fā)出的仿蟲鳴信號3).用于驗證的階躍和隨機信號仿蟲鳴信號和對應的響應17建模–飛行測試建模目標的飛行測試18建模–模型結(jié)構(gòu)盤旋時的模型結(jié)構(gòu)19模型辨識

1).角度比率動力學;2).水平速度動力學;3).偏航動力學;4).飛機升起動力學.*我們獲得了UAV的相當完美的非線性模型…

20

模型基本性能特征值和對應的物理描述Itisanopen-loopunstablesystem…21ModelValidation22FlightControlSystemStructure(x,y,z,ψ)(u,v,w,r)(δa,δe,δu,δr)直升機狀態(tài)

飛行時間表外環(huán)控制內(nèi)環(huán)控制

23PreparedbyBenM.Chen(x,y,z,ψ)(u,v,w,r)(δa,δe,δu,δr)直升機狀態(tài)

飛行時間表外環(huán)控制內(nèi)環(huán)控制InnerLoopControl對于內(nèi)環(huán),將進入系統(tǒng)的強風當做可能的干擾，把總體問題歸結(jié)為H∞的控制問題,即設(shè)計一個控制準則，使得對于給定的系統(tǒng)能夠得到穩(wěn)定的的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并使干擾對輸出的影響被控制在H∞靈敏度的最小值。閉環(huán)系統(tǒng)的幅值H∞-標準值ωH∞的最優(yōu)值一般與健全的控制方案密切相關(guān)…24MagnitudeOuterLoopControl新提出的CNF(compositenonlinearfeedback)控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定并在微小或零超調(diào)情況下跟蹤目標。與傳統(tǒng)方法相比，它有很多優(yōu)勢…

1.5 Responsewithasmalldampingratio 1快速上升時間0.5Responsewithalargedampingratio

CNF控制

無超調(diào)001234

5Time67891025虛軸IllustrationofClosed-loopPolesofCNFControl

根軌跡

10.9740.9450.90.820.660.40.8

0.990.60.40.20.99704321-0.2-0.40.997-0.6

0.99-0.80.9740.9450.90.820.660.4-1 -5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50實軸

26AutomaticFlightControlLaw27Hardware-in-the-loopSimulationSystem靜止UAV自治飛行控制模型地面站軟件模型28SimulationResul