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

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(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。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?？刹僮餍允呛涂焖?，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。好的結(jié)果是獲得混合模型結(jié)構(gòu)；可是，結(jié)果需要通過增加離軸環(huán)節(jié)進(jìn)一步提高；因?yàn)榻徊孀鴺?biāo)系在揮舞方程中的作用。附加的交叉坐標(biāo)系的影響食欲一個(gè)的中心軸相對(duì)于機(jī)身軸的明顯傾斜。理論上是分別于加和減重力等同的（g=32.3ft/s2）.但是，若果飛行數(shù)據(jù)能被準(zhǔn)確的修正來抵消在測(cè)量系統(tǒng)位置涉及到的c.g，制約的衍生物才能執(zhí)行。因?yàn)?，就我們而言，c.g.的位置是不能精確的確定的，我們已經(jīng)明確地說明了一個(gè)垂直抵消hcg,通過測(cè)量速度vm,um和在c.g.處速度v,u的關(guān)聯(lián)。用這個(gè)方法，我們已經(jīng)能夠保證約束條件和同時(shí)確定不知道的垂直補(bǔ)償hcg.起伏動(dòng)力學(xué)關(guān)于起伏動(dòng)力學(xué)，在各自的頻率響應(yīng)檢查之后，從圖表中我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于一階系統(tǒng)應(yīng)該公充分采集。相應(yīng)的微分方程是：既然響應(yīng)不能顯示由流入狀態(tài)造成的峰值幅度，一個(gè)權(quán)威直升機(jī)典型的峰值。這是因?yàn)閷?duì)于R-50揮舞頻率（1/rev=89rad/sec）遠(yuǎn)超過辨識(shí)的頻率范圍和額定激勵(lì)（30rad/sec）。偏航動(dòng)力學(xué)因?yàn)樽影★w行試驗(yàn)過程中用了一個(gè)仿真的偏航動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，偏航響應(yīng)顯示出二階特性。為了精確的辨識(shí)，模型結(jié)構(gòu)必須對(duì)應(yīng)這個(gè)系統(tǒng)。赤裸機(jī)身的偏航動(dòng)力學(xué)能夠模型化為帶傳遞函數(shù)的一階系統(tǒng)。仿真的偏航動(dòng)力學(xué)是用一個(gè)偏航數(shù)率反饋實(shí)現(xiàn)的，我們假設(shè)偏航數(shù)率反饋能夠模型化為一個(gè)簡(jiǎn)單的帶傳遞函數(shù)一階低通濾波器：閉環(huán)導(dǎo)致下一個(gè)傳遞函數(shù)，因?yàn)轭~定輸入和皮偏航r之間的響應(yīng)等價(jià)的微分方程用于狀態(tài)空間模型“因?yàn)槲覀冎疁y(cè)量了飛行輸入和偏航率r，這是參數(shù)化的表示法。兩個(gè)參數(shù)之間的約束必須添加到成功的參數(shù)辨識(shí)中。作為約束，我們已經(jīng)保證低通濾波器的極點(diǎn)是機(jī)身偏航動(dòng)力學(xué)極點(diǎn)速度的2被，i.e.:這個(gè)約束用一個(gè)低階傳遞函數(shù)就能獲得，機(jī)身參數(shù)是有意義的，i.e.,赤裸機(jī)身偏航阻尼是能被很好的估計(jì)的。全模型結(jié)構(gòu)完整的模型是通過在微分矩陣方程中收集所有的微分方程：狀態(tài)向量：輸入向量：不同的狀態(tài)根據(jù)在各自坐標(biāo)系的頻率響應(yīng)連貫性進(jìn)一步耦合。例如，伴隨著偏航運(yùn)動(dòng)的起伏運(yùn)動(dòng)，通過Zr,Nw,Ncol.起伏運(yùn)動(dòng)也被鉆務(wù)運(yùn)動(dòng)通過影響著。最終的結(jié)構(gòu)是通過第一次系統(tǒng)消除具有較高的不靈敏和較高的相關(guān)度，然后在一個(gè)過程中再聚合。剩下的最低限度的參數(shù)化模型結(jié)構(gòu)式由系統(tǒng)矩陣F和輸入矩陣給出的。5.結(jié)果收斂的模型展示了頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)和相關(guān)的整體頻率響應(yīng)誤差成本一個(gè)完美的配合，這是在大約一般的最好的價(jià)值重獲得全面的鑒定結(jié)果。在附錄里給出的辨識(shí)派生物的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)