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无人机技术论文

无人机技术论文

摘要

本文以某型固定翼无人机为研究对象，主要研究了基于常规PID和智能PID的无人机飞行控制律的设计问题，首先，建立了无人机的六自由度数学模型，并运用小扰动线性化方法和系数冻结法分别建立了无人机纵向与横侧向系统的线性化方程:

其次，介绍了一些常用的PID控制器参数整定法和智能PID控制的基本思想，作为飞行控制律设计的理论基础:

再次，分别采用常规PID和智能PID进行了纵向系统与横侧向系统控制的设计，并针对不同空域的一些典型的状态点进行了大量的仿真研究。

仿真结果表明，我们所设计的常规PID控多数

情况下能满足要求，智能PID控制器则具备更强的鲁棒性，能适应不同空域中更多的状态点。

关键词:

无人机，常规PID（自动控制），智能PID（自动控制），飞行控制律，

无人机飞控系统的仿真研究

ABSTRACT

TheprimarypurposeofthistheconventionalPIDcontrolandintelligentPID

controlstrategiestothedesignoftheUAV’s（UnmannedAerialVehicle）fightcontrollaw.

Firstofall，theUAV’5six一degrees一of-freedom（6一DOF）mathlinearized.ThensomebasistheoresandthephysiquesaboutconventionalPIDcontroland

intelligentPIDcontrolarementionedfollowedbyaProfoundresearchonthecontrol

semenofthelogattitudinallandlateralcontrolsystemoftheUAV.conventionalPIDand

intelligentPIDcontrolstrategistscompetitivelypliedtothedesignoftheflightcontrol

lawoftheUAV’5fourfundamentalflighteontrolmode，ineludingPithinganglecontrol

mode，altitudeholdingmode，rollinganglecontrolmodeandyawanglecontrolmode.

Finally，anamountofsimulation15designedtovalidateeffectivenessoftheflight

。

o一trolllawbasedonconventionalPIDandintelligentPIDcontrolstrategies.TheresultsofthesimulationshowthattheconventionalPIDflightcontrollaweffective，andtheintelligentPID

flightcontrollawsuperiortotheformerone.

Keywords:

UAV,TheconventionalPID，IntelligentPID，FlightControlLaw，

前言:

无人机（缩写为UAV）又称“空中机器人”，是一种动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称UAV”。

它大体上是由无人机载体、地面站设备（无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置）以及有效负荷三部分组成的。

根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离或执行任务的性质等特点我们可以把它划分成不同种类。

从总体结构来看，无人机有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼、旋翼/固定翼之分;根据活动半径和续航时间，无人机可大体分为近程、短程、中程和远程四类;根据用途，我们又可以把无人机分为军用和民用两大类。

无人机是1917年由英国首先研制成功的。

虽然它问世已久，但直到加世纪50年代才得到了真正的发展。

当时世界各国空军开始大量装备无人机，将其作为空靶使用。

此后，美国率先研制成功无人驾驶侦察机，并开始用于越战。

到了80年代，无人机得到了更为广泛的应用。

在198年的中东战争中，以色列在贝卡谷地交战中，用“侦察兵”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空导弹的制导雷达开机，侦查获取了雷达的工作参数并测定了其所在位置。

无人机的飞速发展是在海湾战争后，以美国为首的多国部队的无人机在海湾战争中成功地完成了战场侦察、火炮校射、通信中继和电子对抗等任务。

在科索沃战争中，美国及北约盟国总共使用了近300多架无人机当开路先锋，用于中低空侦察和长时间战场监视、电子对抗、战况评估、目标定位集气象资料、营救飞行员和散发传单等任务。

在美国对阿富汗的反恐战争中，无人机更是大显身手，成了追捕拉登及其基地成员的有效兵器，尤其是对基地组织成员发动的空袭，开创无人机运用的先河。

新世纪之初，无人机的发展进入了一个崭新的时代各种性能各异、技术先进、用途广泛的新型机种如长航时无人机、战斗无人机和微型无人机等不断涌现。

2001年，美国的“全球鹰”中空长航时无人机完成了越洋飞行，创造了航程和飞行时间的世界记录。

“捕食者”中空长航时无人机在美对阿富汗的空袭中，首次挂载了导弹对阿富汗的地面目标进了实弹攻击，从而开创了无人机执行对地攻击任务的先例。

近年来，无人机的使用范围已拓展至军事、民用和科研三大领域:

在军事上，可

用于侦察监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估、骚扰诱惑、对地（海）

攻击、目标模拟和早期预警等;在民用上，可用于大地测量、城市环境检测、地球资

源勘测和森林防火、农业勘测、交通、民用导航、环境保护、边境巡逻与控制、自然

灾害的监视与救援等;在科研上，可用于大气研究、气象观测、对核生化污染区的采

样与监控、新技术新设备和新飞行器的试验验证等。

无人机广泛的应用价值，尤其是在军事上的重要性己得到了世界各国的高度重视，这里侧重讲军事无人机

无人机的布局方案：

（1）布局简述：

（1）无人机数学模型：

无人机设计需要把动力，数学，空气动力学，飞行力学，启动控制。

材料和工艺，动力系统，机械设计，结构力学等学科以及其他应用科学及基础科学的知识结合在一起。

面向系统进行研究。

一数学模型为基础，系统设计的问题可以归纳为：

总的目标函数在多种约束条件下的优化问题。

数学模型的简历从设计对象的形式描述开始，在一般的请款下。

设计对象靠其模型表达出气概念。

为此已开始要找出合适的参数。

使其能对模型分析的结果产生实质性的影响，这是设计工作带有创造性的十分重要的阶段，因为实质性的决定在很大程度上与设计的阶段，设计任务类型有关，在很大程度上与设计者的经验和设计对象的透彻有关。

按照增和设计的方法，试图建立包括与设计工作有关的所有问题的万能的飞机设计模型是没有意义的。

模型的形式，其完备性和可靠性不但取决于设计的工作阶段和设计任务，而且取决于所研制飞机的型别。

在得及论证设计阶段，数学模型的作用特别大，基本上是采用有效模型和经济性来描述大量的各个系统和组成部分的功能。

无人机气动布局可以作为整个无人机系统的一员，其数学模型可视为参数化的点的模型，这是飞机气动布局设计成为面向工程的设计。

在飞机初步设计和详细社阶段所使用的模型则不同，应尽量详细的完备的考虑影响选择设计方案的各种因素。

这时数学模型可视为参数化的实体模型，飞机设计面向产品的设计。

根据飞机性能和参数的关系了将反映器结构和功能的不同方面分组，组成一系列的子模型，主要有：

1，几何模型，描述无人机参数和其外形及尺寸特性之间的关系。

用于在选定的飞机总体布局和容易丁参数情况下确定飞机的集合定义，如外形，表面积，容积，以及机翼，尾翼和机身截面等。

这一模型数据用于重量重心，气动和强度计算，无人机的气动布局和内部设置，结构的布置，以及工艺装配与数控。

因此，这一模型也成为统一模型。

2，重量模型，统一描述无人机几何形状与结构承力系统，飞机结构与设备布置，飞机装载情况与飞机及各部件重量之间的关系。

3，气动模型，描述无人机的几何特性和气动特性（在各种飞行状态下的气动阻力，升力，力矩，以及力矩系数）之间的关系。

4，动力装置模型，描述在各种飞行状态下，发动机的尺寸，布置和推力及耗油率之间的关系。

（3）无人机参数优化：

有了完全能反映实际对象的模型，就可以着手解决雪赵可行的或最优的目标设计参数对于求目标函数极值的优化问题，数学模型可以表达为：

公式中，

是q位目标向量；x为设计变量；y为状态变量

无人机设计必定属于多目标化问题，考虑到多目标函数最优化问题中个目标函数在同一层面上的重要程度不一样，采取加权组合法，将各项分目标函数按下式组合成统一的目标函数：

式中

为加权因子，是一个大于零的实数，其值决定于各项目标的重要程度及其数量级

可以采用正规化加权处理，即

表示个目标的相对重要程度，显然，加权因子选择是否合理，将直接影响优化设计的结果，期望各项目标函数的下降率尽可能调整相近。

且使各变量变化对目标函数值的灵敏度尽量趋于一致。

考虑到多目标优化问题个目标主次关系不一样，在优化设计中显然应该考虑主要目标，同时兼顾次要目标。

主要目标法一次为指导思想。

该方法首先将q个目标函数按其重要程度作出排列。

然后一次球各项分目标函数的极小值。

无人机技术：

无人机主要有五项目关键技术，分别是机体结构设计技术、机体材料技术、飞行控制技术、无线通信遥控技术、无线图像回传技术，这五项目技术支撑这现代化智能型无人机的发展与改进。

机体结构设计技术：

飞机结构强度研究与全尺寸飞机结构强度地面验证试验。

在飞机结构强度技术研究方面，包括飞机结构抗疲劳断裂及可靠性设计技术，飞机结构动强度、复合材料结构强度、航空噪声、飞机结构综合环境强度、飞机结构试验技术以及计算结构技术等。

机体材料技术：

机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料，结构材料应具有高的比强度和比刚度，以减轻飞机的结构重量，改善飞行性能或增加经济效益，还应具有良好的可加工性，便于制成所需要的零件。

非结构材料量少而品种多，有：

玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。

飞行控制技术：

提供无人机三维位置及时间数据的GPS差分定位系统、实时提供无人机状态数据的状态传感器、从无人机地面监控系统接收遥控指令并发送遥测数据的机载微波通讯数据链、控制无人机完成自动导航和任务计划的飞行控制计算机，所述飞行控制计算机分别与所述航姿传感器、GPS差分系统、状态传感器和机载微波通讯数据链连接。

本实用新型采用一体化全数字总线控制技术、微波数据链和GPS导航定位技术，可使无人机平台满足多种陆地及海上低空快速监测要求。

无线通信遥控技术：

无人机通信一般采用微波通信，微波是一种无线电波，它传送的距离一般可达几十公里。

频段一般是902－928MHZ，一般都选用可靠的跳频数字电台来实现无线遥控，北京节点通有成熟的应用。

无线图像回传技术：

采用COFDM调制方式，频段一般为300MHZ,实现视频高清图像实时回传到地面，比如nv310等，节点通有多种应用。

说到无人机，我们主要说下他在军事上面的应用，现说下无人战斗机所具有以下优势：

*更强的机动性——近代，战斗机内人体忍耐力会限制军队在快速行动期间利用飞机集中人员

的数量，而无人战斗机消除了这一瓶颈，从而使得机动性大幅提高。

*重量更小——重量可以影响很多方面，如续航时间、加速、有效载荷等。

毕竟驾驶舱内的一两名飞行员及所有物品会有很大的重量。

*更好的空气动力——不需要驾驶舱顶蓬。

*环境感知——利用无人战斗机能够在地面上构建虚拟座舱，这比飞机上安装任何装置都有效。

而且，对于执行制空任务而言，环境感知是很重要的，而空空作战并不需要在实际飞机上进行侦察。

*不会让相关人员疲劳——地面飞行员可以控制他们的无人战斗机，执行任务时更舒适，更灵活。

*耗资更低——飞行部队耗资更低。

所有的人机互动装置、生命维持、弹射座椅等会需要很多资金，但如果是无人战斗机，就仅需要人机交互装置，而且许多无人机可以共用一个，更低价，无需承受所有的压力。

相关人员只需与无人战斗机进行通信，而且飞机中已经有一些通信方式，所以不会有大的变化。

*让飞行员远离危险——无人战斗机能够挽救飞行员的生命。

训练飞行员的成本很高，而且很难迅速进行替换。

*无人战斗机能够开展远程超视距外空对空攻击以及视距内近程作战，而且无人战斗机成本低、数量与质量相当并且有可能用于与敌军同归于尽的战术中。

现在列举举世闻名的美国“全球鹰”

基本参数

“全球鹰”机身长13.5米，高4.62米，翼展35.4米，最大起飞重量11622千克。

翼展和波音747相近，因此“全球鹰”是一种巨大的无人机。

“全球鹰”机载燃料超过7吨，最大航程可达25945千米，自主飞行时间长达41小时，可以完成跨洲际飞行。

可在距发射区5556千米的范围内活动，可在目标区上空18288米处停留24小时。

飞行控制系统采用GPS全球定位系统和惯性导航系统，可自动完成从起飞到着陆的整个飞行过程。

RQ-4A在2001年4月进行的飞行试验中，达到了19850米的飞行高度，并打破了喷气动力无人机续航31.5小时的任务飞行记录。

这项记录曾经是CompassCope-R无人机保持了26年之久的世界记录“全球鹰”可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达。

光电传感

器工作在0.4到0.8微米波段，红外传感器在3.6到5微米波段。

光电系统包括第三代红外传感器和一个柯达（KODAK）数字式电耦合器件（CCD）。

合成孔径雷达具有一个X波段、600MHZ、3.5千瓦峰值的活动目标指示器。

该雷达获取的条幅式侦察照片可精确到1米，定点侦察照片可精确到0.30米。

对以每小时20

到200千米行驶的地面移动目标，可精确到7千米。

一次任务飞行中，“全球鹰”既可进行大范围雷达搜索，又可提供7.4万平方千米范围内的光电/红外图像，目标定位的圆误差概率最小可达20米。

装有1.2米直径天线的合成孔径雷达能穿透云雨等障碍，能连续的监视运动的目标。

“全球鹰”更先进的优点是，它能与现有的联合部署智能支援系统（JDISS）和全球指挥控制系统（GCCS）联结，图像能直接而实时的传给指挥官实用，用于指示目标、预警、快速攻击与再攻击、战斗评估。

RQ-4A还可以适应陆海空军不同的通信控制系统。

既可进行宽带卫星通信，又可进行视距数据传输通信。

宽带通信系统可达到274MB/秒的传输速率，但目前尚未得到支持。

波段的卫星通信系统则可达50MB/秒。

另外机上装有备份的数据链。

每架“全球鹰”造价约5,100万美元。

由于美空军准备再购买66架，单价可望降到2,000万美元左右。

相比之下U-2每架造价超过5,200万美元。

结束语

综上所述,加快基础研究、实现生产控制律成熟化及系统集成完善化,才能够使无人机性能更加优良。

改良控制信号的测试和传递,应用飞行力学中先进的控制技术,从而实现无人机空中格斗和机动飞行性能,使得无人机在军事和民用方面应用更为广泛目前,在已知的无人机发展情况的基础上,已经开始着手利用模型飞机进行无人机的轨迹控制研究工作,已对飞机本体特性进行了研究,设计了控制律,并进行了计算机仿真工作。

在无人机上的试验也正在筹备过程中。

另外,也将进一步完善对无人机的理论研究工作。

相信随着国内科学技术的飞速发展,无人机将会取得更加辉煌的成就

我们所学习的机器人基础，虽然人数比较少，但是老师讲课非常仔细，全面，让我们从书本上，视频上更好的了解了机器人的发展，了解了机器人光明的前景，觉得机器人在日常生活中，工业中，尤其是军事上面的应用以后会更加的广泛...

参考文献

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10.刘成立，吕振雷，无人战斗机研究综述，航空科学技术，2002（4）

机器人技术基础结业论文

无人机技术论文

姓名：

赵波波

学号：

11004020137

班级：

机械3班

学院：

机械工程学院

指导老师：

王黎明

2013.11