小型無人直升機(jī)機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)

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1、小型無人直升機(jī)機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)伯納德梅特勒卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院匹茲堡賓夕法尼亞州馬克蒂施勒美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局旋翼機(jī)師美國(guó)陸軍航空和導(dǎo)彈艾姆斯研究中心福田糾夫機(jī)器人學(xué)院卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院匹茲堡賓夕法尼亞州摘要：一個(gè)完全的機(jī)械模型衡量無人直升機(jī)的飛行測(cè)試(雅馬哈R-50，它的轉(zhuǎn)子10英尺)為了動(dòng)力學(xué)模型辨識(shí)而執(zhí)行。這篇論文主要描述CIFER系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)本來是維全尺寸直升機(jī)飛行器開發(fā)的。一個(gè)精確，高帶寬的線性狀態(tài)空間模型，為了盤旋的情況而推導(dǎo)出來。這個(gè)模型結(jié)構(gòu)包括了退化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)詳細(xì)描述，機(jī)體剛體動(dòng)力學(xué)和偏航阻尼器.R-50的

2、配置和被辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)模型被用來和不斷變化的UH-1H來作比較。這個(gè)辨識(shí)模型展示了非常接杰出的預(yù)測(cè)性能，并且很適合做飛行控制設(shè)計(jì)和模擬應(yīng)用。1.介紹對(duì)民用和軍事上的無人機(jī)系統(tǒng)（UAV）的興趣正在變得非常確定。例如，美國(guó)軍隊(duì)正在研究一種垂直發(fā)射和降落的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，為了一個(gè)大范圍的太空船和以地面為基礎(chǔ)的任務(wù)。以太空船為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)操作包括自動(dòng)起飛和在25-40kts的風(fēng)中恢復(fù)，飛船甲板運(yùn)動(dòng)在+/-8deg起伏。為了以無人機(jī)為基礎(chǔ)的UASs能夠有用,飛行控制系統(tǒng)不限制它們吸引人的屬性是很重要的：長(zhǎng)期的飛行和垂直發(fā)射和降落的性能?，F(xiàn)在，成為發(fā)展HUAVs主要障礙的是復(fù)雜

3、的模型，飛行控制設(shè)計(jì)和忽視有效率的工具來幫助完成任務(wù)。一般而言，為了飛行器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常難的問題。不像準(zhǔn)備好翼的UAVs，那個(gè)空的HUAV機(jī)身展品，一個(gè)很高程度的中心軸耦合,高度震蕩和非最小相位的動(dòng)態(tài)特性，和轉(zhuǎn)子的大滯后相關(guān)。直升機(jī)的大范圍電勢(shì)事實(shí)上和它的復(fù)雜的飛行動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)，這些特性是很多難以控制問題的關(guān)鍵。可操作性是和快速，甚至動(dòng)蕩的動(dòng)力學(xué)相關(guān)，很強(qiáng)的控制響應(yīng)和一個(gè)高度敏感的輸入有關(guān)（包括像一陣陣的風(fēng)一樣的干擾）。飛行動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性使得它的模型很困難，也沒有一個(gè)好的飛行動(dòng)力學(xué)模型，使得飛行動(dòng)力學(xué)控制問題變得難以接近大多數(shù)有用的分析和控制

4、設(shè)計(jì)工具。實(shí)現(xiàn)好的控制性能的目標(biāo)直接關(guān)系到準(zhǔn)確度和模型需要的帶寬。高帶寬的模型對(duì)仿真來說也同等重要，基于模型第一原則的改進(jìn)和確認(rèn)，和處理品質(zhì)的評(píng)審。更普遍的是，源自精確的動(dòng)態(tài)模型，用真是的數(shù)據(jù)描繪集成的飛行控制設(shè)計(jì)過程一個(gè)關(guān)鍵部分。系統(tǒng)辨識(shí)在全維直升機(jī)上已經(jīng)非常成功。這個(gè)有效的直升機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)申請(qǐng)就到期大部分的高水平學(xué)術(shù)術(shù)語涉及到程序和工具。這些技術(shù)如果適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，應(yīng)該會(huì)同樣成功在小型無人直升機(jī)上。這篇論文展示了一個(gè)詳細(xì)的例子，全維的直升機(jī)模型辨識(shí)申請(qǐng)到一個(gè)小型無人直升機(jī)的盤旋飛行。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是為了確定全維系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用到小型無人直升機(jī)上有多好，并且看看

5、通過這個(gè)程序是否能得到準(zhǔn)確的模型。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也表現(xiàn)了一個(gè)根據(jù)已知的全維直升機(jī)去理解小型無人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)的機(jī)會(huì)。動(dòng)態(tài)縮放規(guī)則被用來比較配置和用全維UH-1H直升機(jī)辨識(shí)小型R-50動(dòng)力學(xué)。這兒這個(gè)是非常有趣的，因?yàn)檫@個(gè)比較取代了特殊的系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)構(gòu)，因此允許簡(jiǎn)單和明確的分析從模型結(jié)構(gòu)的問題到更多明確的方面例如模型特征甚至物理參數(shù)。2直升機(jī)的描述用來辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的無人機(jī)是雅馬哈R-50被卡內(nèi)基梅隆自主直升機(jī)工程為了在以視覺為基礎(chǔ)的飛行研究而改造的。R-50是一個(gè)商用的小型無人機(jī)，起初是為了農(nóng)業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。R-50用了雙葉片上下晃動(dòng)主轉(zhuǎn)子有一個(gè)貝爾穩(wěn)定棒。相對(duì)嚴(yán)格的刀片通

6、過一個(gè)軸連接到中心，這個(gè)軸通過高彈提配件提供獨(dú)立的拍打運(yùn)動(dòng)。這個(gè)軸連接到轉(zhuǎn)子的拍桿，通過一個(gè)鉸鏈裝在車軸裝置上，排除科里奧利勢(shì)力和聯(lián)合的原地葉片的運(yùn)動(dòng)。這種搖晃的運(yùn)動(dòng)也被一個(gè)高彈體阻尼器約束著。這個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比經(jīng)典的震動(dòng)轉(zhuǎn)子更硬。Bell-Hiller穩(wěn)定器由一組機(jī)械的提供滯后率的劃槳組成，在傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)循環(huán)中反饋。低頻率的動(dòng)力學(xué)是穩(wěn)定的，實(shí)際上為飛行器系統(tǒng)在交叉頻率范圍內(nèi)增加相位容限1-3rad/sec。一陣風(fēng)吹過虛假姿勢(shì)的反饋也減弱了飛行器的反應(yīng)和動(dòng)蕩。這些在飛行器處器的改進(jìn)和低頻率穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)是以增加反應(yīng)時(shí)間為代價(jià)，恒定轉(zhuǎn)子大約5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因此減少連接機(jī)身

7、和轉(zhuǎn)子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)阻尼。R-50附加的特性如下圖表。直升機(jī)儀表化卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的儀表化直升機(jī)描述了一個(gè)完美的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因?yàn)樗膬x表化，提供了高質(zhì)量的飛行數(shù)據(jù)。在直升機(jī)系統(tǒng)的中心部件是一個(gè)以VME為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)飛行控制器，這個(gè)控制器攜帶了一個(gè)摩托羅拉68060處理器平臺(tái)和一個(gè)I/O傳感器平臺(tái)。所有的傳感器和直升機(jī)的驅(qū)動(dòng)通過I/O平臺(tái)連接到內(nèi)部運(yùn)算單元，這個(gè)單元一個(gè)串行接口特殊的直接連接到處理器平臺(tái)。和地面站的聯(lián)系取代了直接連接到無線以太網(wǎng)。這個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)實(shí)時(shí)操作管理系統(tǒng)的監(jiān)視下運(yùn)行。三個(gè)線性伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被用來控制旋轉(zhuǎn)斜盤，同時(shí)另一個(gè)控制傾斜的直升機(jī)尾旋翼。

8、所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)已經(jīng)被分離的認(rèn)為一階的。引擎速度