小型多旋翼无人机实验平台搭建及动力学参数研究

发布时间：2020-06-12 07:08

【摘要】：小型多旋翼无人机由于其相对简单的机械结构,可以垂直起降且机动性高的运动特性,目前广泛应用于军事和日常生活等领域。但多旋翼无人机存在欠驱动、强耦合的特点,对控制设计带来很大的挑战,因此如何有效测量其动力学参数随飞行参数的变化规律,对于优化无人机的飞行控制,显得越来越重要。本课题以多旋翼无人机动力系统为研究对象,通过自行编程设计飞行控制器,完成多旋翼无人机的硬件设计与选型。在此基础上对多旋翼无人机动力系统参数进行实验研究。首先建立多旋翼无人机的动力学模型,并对不同工作模式下的动力学特性进行分析,并以此为基础对多旋翼无人机进行机构优化设计,组建了基于Arduino飞控系统的无人机样机。最后,搭建基于多维力传感器的无人机动力学参数测试平台。该平台有基于NI虚拟仪器平台的数据采集模块、基于光电传感器的测速模块和基于三维力传感器的升力测量模块等组成。基于上述实验平台,对不同工况下的无人机的升力等动力学参数进行测试分析。实验结果显示,测得单旋翼测试实验的升力系数为0.000545,双旋翼测试实验的升力系数为0.001448,四旋翼测试实验的升力系数为0.002354,并测量出飞行器偏航运动时x轴的力矩最大值为0.4N_m,y轴力矩最大值为0.7 N m,验证所设计的飞行控制器的控制稳定性,完成实验平台的搭建。本课题通过理论分析和实验研究,所提出的无人机动力学参数测量方法可以实现对无人机不同工况下的动力学参数变化规律的分析和研究,为后续无人机的控制策略的优化提供了一种有效的手段。
【图文】：

１９２１年，美国陆军航空兵团队资助了由Ｇｅｏｒｇｅ邋ｄｅ邋Ｂｏｔｈｅｚａｔ博士领导的无人机计划逡逑【２４］。Ｂｏｔｈｅｚａｔ的四旋翼飞机，如图１－３所示，在俄亥俄州莱特－帕特森空军基地的前身逡逑麦库克球场秘密研究，，直到１９２２年１２月１８日第一次飞行。除了四个主转子之外，还逡逑有两个额外的螺旋桨用于方向控制，另外两个位于发动机上方，提供冷却和一些额外的逡逑升力。逡逑ｎ—３＾逡逑ｉｉ：逦Ｓ飞七擎＾於逡逑…逡逑图１－３邋Ｄｅ邋Ｂｏｔｈｅｚａｔ的飞行器【２４】逡逑后来，Ｅｔｉｅｎｎｅ邋Ｏｅｍｉｃｈｅｎ在１９２４年４月１４日设定的飞行器距离记录时确定了四旋逡逑翼配置的可行性。Ｏｅｍｉｃｈｅｎ用他的四旋翼飞行器进行了一千多个飞行测试，如图１－４逡逑所示，它还使用了额外的螺旋桨进行控制。到１９５６年，卡普兰进一步改进了四旋翼，逡逑并证明了利用双旋翼之间的差推力控制飞机姿态的能力［２５］。逡逑－－…－．邋．．邋．．．邋．－－＿．．．．——．…N逡逑■■■■■■■■■■■■逡逑图１－４邋Ｏｅｍｉｃｈｅｎ设计的四旋翼［２５】逡逑３逡逑

１９２１年，美国陆军航空兵团队资助了由Ｇｅｏｒｇｅ邋ｄｅ邋Ｂｏｔｈｅｚａｔ博士领导的无人机计划逡逑【２４］。Ｂｏｔｈｅｚａｔ的四旋翼飞机，如图１－３所示，在俄亥俄州莱特－帕特森空军基地的前身逡逑麦库克球场秘密研究，直到１９２２年１２月１８日第一次飞行。除了四个主转子之外，还逡逑有两个额外的螺旋桨用于方向控制，另外两个位于发动机上方，提供冷却和一些额外的逡逑升力。逡逑ｎ—３＾逡逑ｉｉ：逦Ｓ飞七擎＾於逡逑…逡逑图１－３邋Ｄｅ邋Ｂｏｔｈｅｚａｔ的飞行器【２４】逡逑后来，Ｅｔｉｅｎｎｅ邋Ｏｅｍｉｃｈｅｎ在１９２４年４月１４日设定的飞行器距离记录时确定了四旋逡逑翼配置的可行性。Ｏｅｍｉｃｈｅｎ用他的四旋翼飞行器进行了一千多个飞行测试，如图１－４逡逑所示，它还使用了额外的螺旋桨进行控制。到１９５６年，卡普兰进一步改进了四旋翼，逡逑并证明了利用双旋翼之间的差推力控制飞机姿态的能力［２５］。逡逑－－…－．邋．．邋．．．邋．－－＿．．．．——．…N逡逑■■■■■■■■■■■■逡逑图１－４邋Ｏｅｍｉｃｈｅｎ设计的四旋翼［２５】逡逑３逡逑
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279

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本文编号：2709177