小型無人直升機(jī)機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)辨識

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1、小型無人直升機(jī)機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)辨識伯納德梅特勒卡內(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國家航空和宇宙航行局旋翼機(jī)師美國陸軍航空和導(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：一個完全的機(jī)械模型衡量無人直升機(jī)的飛行測試(雅馬哈R-50，它的轉(zhuǎn)子10英尺)為了動力學(xué)模型辨識而執(zhí)行。這篇論文主要描述CIFER系統(tǒng)辨識技術(shù)的應(yīng)用，這個本來是維全尺寸直升機(jī)飛行器開發(fā)的。一個精確，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。這個模型結(jié)構(gòu)包括了退化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動動力學(xué)詳細(xì)描述，機(jī)體剛體動力學(xué)和偏航阻尼器.R-50的

2、配置和被辨識的動力學(xué)模型被用來和不斷變化的UH-1H來作比較。這個辨識模型展示了非常接杰出的預(yù)測性能，并且很適合做飛行控制設(shè)計和模擬應(yīng)用。1.介紹對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，美國軍隊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)操作包括自動起飛和在25-40kts的風(fēng)中恢復(fù)，飛船甲板運(yùn)動在+/-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)計是一個非常難的問題。不像準(zhǔn)備好翼的UAVs，那個空的HUAV機(jī)身展品，一個很高程度的中心軸耦合,高度震蕩和非最小相位的動態(tài)特性，和轉(zhuǎn)子的大滯后相關(guān)。直升機(jī)的大范圍電勢事實上和它的復(fù)雜的飛行動力學(xué)特性相關(guān)，這些特性是很多難以控制問題的關(guān)鍵?？刹僮餍允呛涂焖伲踔羷邮幍膭恿W(xué)相關(guān)，很強(qiáng)的控制響應(yīng)和一個高度敏感的輸入有關(guān)（包括像一陣陣的風(fēng)一樣的干擾）。飛行動力學(xué)的復(fù)雜性使得它的模型很困難，也沒有一個好的飛行動力學(xué)模型，使得飛行動力學(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)計工具。實現(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)的評審。更普遍的是，源自精確的動態(tài)模型，用真是的數(shù)據(jù)描繪集成的飛行控制設(shè)計過程一個關(guān)鍵部分。系統(tǒng)辨識在全維直升機(jī)上已經(jīng)非常成功。這個有效的直升機(jī)系統(tǒng)辨識申請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)該會同樣成功在小型無人直升機(jī)上。這篇論文展示了一個詳細(xì)的例子，全維的直升機(jī)模型辨識申請到一個小型無人直升機(jī)的盤旋飛行。這個實驗的目的是為了確定全維系統(tǒng)辨識技術(shù)應(yīng)用到小型無人直升機(jī)上有多好，并且看看

5、通過這個程序是否能得到準(zhǔn)確的模型。這個實驗也表現(xiàn)了一個根據(jù)已知的全維直升機(jī)去理解小型無人直升機(jī)動力學(xué)的機(jī)會。動態(tài)縮放規(guī)則被用來比較配置和用全維UH-1H直升機(jī)辨識小型R-50動力學(xué)。這兒這個是非常有趣的，因為這個比較取代了特殊的系統(tǒng)辨識結(jié)構(gòu)，因此允許簡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)的描述用來辨識實驗的無人機(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)計的。R-50用了雙葉片上下晃動主轉(zhuǎn)子有一個貝爾穩(wěn)定棒。相對嚴(yán)格的刀片通

6、過一個軸連接到中心，這個軸通過高彈提配件提供獨(dú)立的拍打運(yùn)動。這個軸連接到轉(zhuǎn)子的拍桿，通過一個鉸鏈裝在車軸裝置上，排除科里奧利勢力和聯(lián)合的原地葉片的運(yùn)動。這種搖晃的運(yùn)動也被一個高彈體阻尼器約束著。這個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比經(jīng)典的震動轉(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)動循環(huán)中反饋。低頻率的動力學(xué)是穩(wěn)定的，實際上為飛行器系統(tǒng)在交叉頻率范圍內(nèi)增加相位容限1-3rad/sec。一陣風(fēng)吹過虛假姿勢的反饋也減弱了飛行器的反應(yīng)和動蕩。這些在飛行器處器的改進(jìn)和低頻率穩(wěn)定性的實現(xiàn)是以增加反應(yīng)時間為代價，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)子振動動力學(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)描述了一個完美的辨識實驗平臺，因為他的儀表化，提供了高質(zhì)量的飛行數(shù)據(jù)。在直升機(jī)系統(tǒng)的中心部件是一個以VME為基礎(chǔ)的現(xiàn)場飛行控制器，這個控制器攜帶了一個摩托羅拉68060處理器平臺和一個I/O傳感器平臺。所有的傳感器和直升機(jī)的驅(qū)動通過I/O平臺連接到內(nèi)部運(yùn)算單元，這個單元一個串行接口特殊的直接連接到處理器平臺。和地面站的聯(lián)系取代了直接連接到無線以太網(wǎng)。這個系統(tǒng)在一個實時操作管理系統(tǒng)的監(jiān)視下運(yùn)行。三個線性伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被用來控制旋轉(zhuǎn)斜盤，同時另一個控制傾斜的直升機(jī)尾旋翼。

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