学科前沿讲座-空中机器人

学科前沿系列讲座

（五）自动化学院陈庆伟教授2.•••••3.••••提纲…1.介绍…无人驾驶飞机的发展

硬件结构

软件系统

通信系统

飞行控制系统的建模和设计

实际飞行测试示范当前和未来的研究方向

其他类型的无人机平台

基于视觉的地面目标探测和跟踪

多无人机编队飞行

GPS较少的城市和室内的导航4.结束语…

2••介绍测试平台的搭建一个无线电遥控直升机经过将必要数据处理，传感器和由机载、地面软件系统组成的通信组建整合，升级到一个无人机。无人机被用于开发建模方法和新的控制系统。无人机的动态建模这项分支工作的重点任务是对飞行数据和对飞行器参数识别的系统方法进行建模的相关技术4••介绍…自动飞行控制系统的设计在上一阶段所确定的模型是用来设计的飞行器自动控制系统。新型非线性控制技术得到了发展，如H2和H∞控制的现代控制技术也适用于设计无人驾驶直升机的先进控制系统。实际执行情况和飞行测试该控制系统设计和集成，将在无人驾驶飞机上得到实施和验证。我们的目标是实现一个工作良好并能提供良好性的完整系统。5无人驾驶直升机（UAV）系统的发展78硬件系统结构

控制信号 命令

实时数据地面站机载系统测量

手动操作遥控手柄

直升机直升机

猛禽90SE 雷虎生产长-1.41m(55.50")宽-0.19m(7.50")高-0.465m(18.25")重量-4.8kg(10.5lbs)主旋翼直径-1.64m(64.75")尾旋翼直径-0.26m(10.25")机载计算机系统PC–104计算机堆栈：1）主处理板2）串行通信板3）数据采集板4）直流到直流转换器电路板10•惯性测量单元IMU(InertialMeasurementUnit惯性测量单元): HeLion中最重要的传感器，收集的飞行数据包括：1).加速度&速度2).转角3).方向角4).3D-GPS信号11无线通讯系统&伺服控制2.4GHz无线宽带调制解调器伺服控制12软件系统结构板上板上CMM任务命令数据数据转换

(后面板)命令 (发送)接听(接收)命令数据...用户交互

(前面板)>command1>command2positionvelocityattitudeangularrateaccelerationservo(x,y,z)(u,v,w)(a,b,c)(p,q,r)(acx,acy,acz)(aileron,elevator,...…)>,,,rotorrpm...…命令窗口状态视窗曲线视窗3D视窗

1314板上软件结构–执行周期

主要部分–主任务,任务管理

IMU:惯性测量单元驱动

IMUPC104嵌入式计算机DAQ:数据采集惯性测量单元DLG:数据载入mainDAQ数据采集板记忆卡DLGCTLCTL:自动控制CMM SVO无线调制解调器CMM:通信

伺服控制系统SVO:伺服驱动和读数

地面站交互练接按钮

图形显示可选的数据显示 3D视窗

在线数据显示仪表视窗命令窗口

15

地面站–3D视窗3D视窗真实飞行16动态建模数据采集步骤:1).单通道发出的仿虫鸣信号2).多通道发出的仿虫鸣信号3).用于验证的阶跃和随机信号仿虫鸣信号和对应的响应17建模–飞行测试建模目标的飞行测试18建模–模型结构盘旋时的模型结构19模型辨识

1).角度比率动力学;2).水平速度动力学;3).偏航动力学;4).飞机升起动力学.*我们获得了UAV的相当完美的非线性模型…

20

模型基本性能特征值和对应的物理描述Itisanopen-loopunstablesystem…21ModelValidation22FlightControlSystemStructure(x,y,z,ψ)(u,v,w,r)(δa,δe,δu,δr)直升机状态

飞行时间表外环控制内环控制

23PreparedbyBenM.Chen(x,y,z,ψ)(u,v,w,r)(δa,δe,δu,δr)直升机状态

飞行时间表外环控制内环控制InnerLoopControl对于内环,将进入系统的强风当做可能的干扰，把总体问题归结为H∞的控制问题,即设计一个控制准则，使得对于给定的系统能够得到稳定的的闭环控制系统，并使干扰对输出的影响被控制在H∞灵敏度的最小值。闭环系统的幅值H∞-标准值ωH∞的最优值一般与健全的控制方案密切相关…24MagnitudeOuterLoopControl新提出的CNF(compositenonlinearfeedback)控制技术能够实现快速稳定并在微小或零超调情况下跟踪目标。与传统方法相比，它有很多优势…

1.5 Responsewithasmalldampingratio 1快速上升时间0.5Responsewithalargedampingratio

CNF控制

无超调001234

5Time67891025虚轴IllustrationofClosed-loopPolesofCNFControl

根轨迹

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实轴

26AutomaticFlightControlLaw27Hardware-in-the-loopSimulationSystem静止UAV自治飞行控制模型地面站软件模型28SimulationResul