論文英文名稱 Stability Derivatives Identification and Hardware-in-the-Loop Real-time Simulation of Unmanned Air Vehicle 論文中文名稱 無人飛行載具的穩定性導數識別與硬體迴路即時控制 作者中文姓名 吳連堂 英文關鍵字 HILS autopilot optimal estimation UAV 中文關鍵字 硬體迴路模擬 自動駕駛 最佳化估測 無人飛行載具 英文摘要 The thesis explores three subjects, including the optimal estimation of dimensional stability derivatives in linear model of unmanned air vehicle (UAV) longitudinal and lateral dynamics, the control law design of UAV autopilot, and the hardware-in-the-loop simulation (HILS) system setup for real-time control experiment. In stability derivatives identification, at first the raw data from UAV test flight were carefully preprocessed to obtain the fine input-output data in 6 flight sections for longitudinal motion and 8 flight sections for lateral motion. Second, the dimensional stability derivatives were optimal estimated by applying the nonlinear least squares method. In addition, the linear least squares method was also used to figure out the initial guess for the nonlinear least squares method. As a result, 5 longitudinal models and 7 lateral models with root mean square error (RMSE) less than 5 were identified. Third, the impulse responses of the identified models were checked. Those models which did not have proper cause-effect relations between the input and output were eliminated. At last the union optimization procedure was proposed to obtain the final linear state-space model of UAV longitudinal and lateral motion. The resulting model not only met the RMSE criterion for different flight sections but also had reasonable input-output relationship. In UAV autopilot design, four feedback loops, such as altitude (pitch angle) loop, velocity loop, attitude (roll angle) loop, and heading (yaw angle) loop were considered. The optimal PID (proportional-integral-derivative) control laws were designed to satisfy the time-domain specifications by using the Nonlinear Control Design Blockset in the computer-aided control system design software MATLAB/Simulink. In real-time control experiment, the HILS system consisted of one PC, four data acquisition cards, and one PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) embedded real-time controller was setup successfully. The graphical programming language LabVIEW providing convenient and tight integration with software and hardware was applied for the measurement and control in HILS system. The individual simulations of controller and plant were running independently and the communications between controller and plant were under a fixed sampling frequency. The results of HILS revealed that the inevitable time delay resulting from program computation would seriously destroy the performance and stability of real-time control system especially when the sampling frequency is rather low; however, the non-real-time computer simulation cannot reveal this critical time-delay problem. The importance of HILS is definitely confirmed. 中文摘要 本論文研究的主題涵輓L人飛行載具(Unmanned Air Vehicle, UAV)縱向(longitudinal)與橫向(lateral)運動的線性模型中因次化穩定性導數(dimensional stability derivatives)的最佳化估測(optimal estimation)、自動駕駛(autopilot)控制律的設計、與硬體迴路模擬(Hardware-in-the-Loop Simulation, HILS)的即時控制(real-time control)實驗。在穩定性導數識別(identification)的部分，根據UAV的實際試飛資料(raw data)，首先經過有系統地前處理程序，得到6組縱向運動與8組橫向運動的精細輸入輸出數據(fine input-output data)，其次，以非線性最小平方法(nonlinear least squares method)配合線性最小平方法(linear least squares method)提供初始猜值，進行因次化穩定性導數的兩階段最佳化估測，獲得縱向5組與橫向7組滿足均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)小於5的數學模型，然後檢驗各數學模型的脈衝響應(impulse response)，將不符合輸入與輸出之間因果關係的模型刪除，最後，以聯合最佳化程序(union optimization procedure)得到與實際飛行數據吻合而且具有合理物理行為的UAV縱向運動與橫向運動的線性狀態空間模型(linear state-space model)。對於自動駕駛的設計，針對四個回授迴路(feedback loop)，包括高度(俯仰角)迴路、速度迴路、姿態(滾轉角)迴路、頭向(偏航角)迴路，應用電腦輔助控制系統設計軟體MATLAB/Simulink中的非線性控制設計模組(Nonlinear Control Design Blockset)，完成符合時域規格(time-domain specifications)的最佳化PID (Proportional-Integral-Derivative)控制律設計。在即時控制的實驗部分，成札膃X一部個人電腦、4張資料擷取卡、與一個PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)標準架構的嵌入式即時控制器(embedded real-time controller)，建構出UAV飛控系統的HILS實驗平台，並且使用圖控程式語言LabVIEW做為軟體開發環境，在UAV自動駕駛律的即時控制實驗中，控制器(controller)與受控體(plant)各自獨立運作，彼此透過固定的取樣頻率(sampling frequency)傳遞控制訊號(control signal)與受控體的狀態輸出訊號(state output signal)，從實驗結果中發現，當取樣頻率較低時，由於程式計算(computation)所產生的無可避免的時間延遲(time delay)，將會嚴重地危害即時控制系統的性能(performance)與穩定性(stability)，這點是無法透過非即時電腦模擬(non-real-time computer simulation)來察覺的，所以即時HILS的重要性獲得充分的証實。 統計 本論文已被瀏覽 60 次，造訪原文 0 次 畢業學校 正修科技大學 出版單位 正修科技大學 論文目次 目錄
中文摘要 i
英文摘要 iii
致謝 v
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xi
符號說明 xx
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 1
1-3 研究背景 2
1-4 研究方法 4
1-5 各章概述 6
第二章 UAV動態數學模型與飛行數據處理 7
2-1 UAV線性化動態數學模型 7
2-2 飛行數據的處理 9
2-2-1 飛行區段的選取 10
2-2-2 數據轉換 11
2-2-3 尤拉角的計算 12
2-2-4 線速度分量的推求 13
2-2-5 異常數據的判定與處理 14
2-3 配平點的處理 14
第三章 穩定性導數的估測 17
3-1 誤差輸出法 17
3-2 線性最小平方法 18
3-3 非線性最小平方法 22
3-4 縱向穩定性導數估測結果 23
3-5 橫向穩定性導數估測結果 24
3-6 巡迴最佳化法 25
3-7 聯合最佳化法 29
第四章 自動駕駛設計 31
4-1 MP2000GCS自動駕駛設定 31
4-1-1 電子地圖設定 31
4-1-2 自動駕駛迴路設定與介紹 32
4-2 自動駕駛控制律設計 34
4-2-1 Ziegler-Nichols規則 34
4-2-2 非線性控制設計模組 35
4-3 俯仰角自動駕駛 36
4-4 定速度自動駕駛 39
4-5 滾轉角自動駕駛 41
4-6 偏航角自動駕駛 43
第五章 硬體迴路即時模擬 47
5-1 軟體介紹 47
5-2 硬體介紹 49
5-2-1 控制器 49
5-2-2 受控體 50
5-2-3 其他相關硬體裝置 51
5-2-4 HIL硬體訊號運作流程 52
5-3 硬體介面測試與設定 52
5-3-1 PXI 網路連結與軟體安裝方式 52
5-3-2 類比輸入介面卡PXI-6220 53
5-3-3 計數器/計時器介面卡PXI-6602 56
5-3-4 類比輸出介面卡PCI-6703 56
5-3-5 計數器/計時器介面卡PCI-6602 59
5-4 LabVIEW程式概述 59
5-4-1 建構控制器端程式步驟 64
5-4-2 建構受控體端程式步驟 64
5-5 自動駕駛的HIL即時模擬驗證 65
5-5-1 俯仰角自動駕駛即時模擬驗證 65
5-5-2 定速度自動駕駛即時模擬驗證 66
5-5-3 滾轉角自動駕駛即時模擬驗證 68
5-5-4 偏航角自動駕駛即時模擬驗證 68
第六章 結論與建議 70
6-1 結論 70
6-2 建議 73
參考文獻 74參考文獻 參考文獻
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核准日期 2006-07-21 類型 Electronic Thesis or Dissertation 格式 application/pdf 全文資料 校內外皆可取得 詳細資料暨全文 http://ethesys.csu.edu.tw/ETD-db/ETD-search-c/view_etd?URN=etd-0719106-150350 語言 Chi 權限 Copyright information available at source archive--CSU University
