第1章 绪论 1
1.1 轻型无人直升机发展简史及概述 1
1.1.1 轻型无人直升机 1
1.1.2 研究技术难点及控制方法 2
1.1.3 无人直升机常用建模与辨识方法 7
1.1.4 直升机的基本理论 11
1.2 直升机旋翼气动特性 15
1.2.1 直升机的组成 15
1.2.2 旋翼系统的结构 16
1.2.3 旋翼的类型 17
1.2.4 旋翼基本参数 18
1.2.5 旋翼基本空气动力特性 19
1.3 桨叶的挥舞运动 22
1.3.1 垂直飞行的均匀挥舞 22
1.3.2 前飞时的周期挥舞 23
1.3.3 挥舞系数的物理解释 24
第2章 轻型无人直升机的基本特性 27
2.1 引言 27
2.2 相关坐标系及特征角度 27
2.2.1 地面坐标系 28
2.2.2 机体坐标系 28
2.2.3 速度轴系及迎角和侧滑角 29
2.2.4 桨轴系 29
2.2.5 各坐标系之间的转换关系 29
2.2.6 作用于直升机上的气动力 31
2.3 轻型无人直升机系统原理 33
2.3.1 主旋翼操纵机构 33
2.3.2 陀螺仪和尾桨 33
2.3.3 油门控制 34
2.3.4 舵机 35
2.4 基本动力学模型 36
2.5 主旋翼系统 38
2.5.1 主旋翼力和力矩 39
2.5.2 Bell-Hiller稳定小翼 41
2.5.3 主旋翼系统动力学特性 42
2.6 尾旋翼系统 45
2.6.1 尾旋翼力和力矩 45
2.6.2 偏航阻尼器 46
2.6.3 尾旋翼系统动力学模型 47
2.7 辅助机体部件 48
2.7.1 动力系统 48
2.7.2 机身和尾翼 48
2.8 动力学模型结构 49
第3章 轻型无人机运动方程 52
3.1 直升机的稳定性与操纵性 52
3.1.1 纵向静稳定性 52
3.1.2 航向静稳定性 54
3.1.3 横滚静稳定性 55
3.1.4 直升机的阻尼特性 56
3.1.5 直升机的操纵性 57
3.2 微小型无人直升机悬停状态的配平计算 57
3.2.1 悬停状态的平衡方程 58
3.2.2 悬停状态的配平计算 58
3.2.3 配平结果验证和分析 60
3.3 直升机的平衡动力学 60
3.3.1 直升机的平衡方程 60
3.3.2 直升机悬停时的平衡 61
3.3.3 直升机平飞时的平衡 65
3.4 直升机运动方程 65
3.4.1 全量运动方程 65
3.4.2 小扰动线性化方程 67
3.4.3 自然直升机性能分析 70
3.5 小型无人直升机动力学建模及物理特性分析 77
3.5.1 直升机增稳动力学结构 78
3.5.2 数学模型的建立 79
3.5.3 增稳动力学的状态空间模型 81
3.5.4 小型直升机增稳动力学的结构 82
3.5.5 关于增稳动力学结构模型的物理分析 82
第4章 敏感装置实验原理 88
4.1 ADIS16350简介 88
4.2 XW-IMU7200简介 90
4.3 惯性器件指标及其测试方法 94
4.3.1 陀螺仪指标体系 94
4.3.2 加速度计指标体系 95
4.3.3 惯性器件的测试方法 95
4.4 惯性器件误差模型 97
4.4.1 陀螺仪误差模型 97
4.4.2 加速度计误差模型 98
4.4.3 惯性器件随机漂移模型 98
4.5 三轴加速度计标定方法 99
4.5.1 标定原理 99
4.5.2 标定实验流程 100
4.5.3 六位置法标定系数的计算 100
4.5.4 标定实验数据分析 101
4.6 三轴陀螺标定方法 101
4.6.1 标定原理 102
4.6.2 标定实验流程 102
4.6.3 标定注意事项 103
4.6.4 标定实验数据分析 103
4.7 捷联惯导解算方法 104
4.7.1 捷联惯导解算原理 104
4.7.2 捷联矩阵的求取 105
4.7.3 导航方程及其计算流程 106
4.7.4 小结 109
第5章 执行机构实验原理 110
5.1 空气舵工作原理 110
5.1.1 指标与要求 111
5.1.2 舵机 112
5.2 舵系统响应测试原理 115
5.2.1 时域响应法 115
5.2.2 频域响应法 118
5.2.3 舵系统传递函数及其特性分析 119
5.3 舵系统性能测试实验 121
5.3.1 舵系统极性测试 121
5.3.2 舵机模型的时域响应辨识实验 122
5.3.3 舵机模型的频域响应辨识实验 124
第6章 频域响应辨识 127
6.1 系统辨识基础 127
6.2 系统辨识的方法 127
6.3 CIFER介绍 128
6.4 扫频实验设计 133
6.4.1 传递函数对象选择 133
6.4.2 实验流程与步骤 133
6.4.3 数据预处理 134
6.5 CIFER建模实现 135
6.6 对象辨识分析 140
6.6.1 辨识结果及验证 140
6.6.2 特征根与稳定性分析 144
6.6.3 频率特性分析 146
6.6.4 分析结果总结 147
第7章 飞行控制律设计 148
7.1 对象特性分析 148
7.1.1 开环稳定性 148
7.1.2 耦合性 148
7.1.3 频率特性 151
7.2 增稳控制律设计 151
7.2.1 俯仰通道增稳控制律设计 152
7.2.2 滚转通道增稳控制律设计 157
7.2.3 三种增稳方案对比 161
7.3 姿态控制律设计 164
7.3.1 俯仰角控制律设计 164
7.3.2 滚转角控制律设计 165
7.4 基于姿态角阻尼内回路的位置控制律设计 166
7.4.1 控制结构 166
7.4.2 控制参数设计 166
7.5 基于姿态角指令内回路的位置控制律设计 171
7.5.1 控制结构 171
7.5.2 控制参数设计 171
7.6 基于角速率阻尼内回路的位置控制律设计 172
7.6.1 控制结构 172
7.6.2 控制参数设计 172
7.7 基于地速控制的位置控制律设计 173
7.7.1 控制结构 173
7.7.2 控制参数设计 173
7.8 四种位置控制方案对比 175
7.8.1 控制结构对比 175
7.8.2 控制效果对比 176
7.9 高度控制 177
7.9.1 控制需求分析 177
7.9.2 控制律设计 178
7.10 航向控制 183
7.10.1 控制需求分析 183
7.10.2 控制结构 183
7.10.3 控制律设计 184
参考文献 188