基于倾转旋翼无人机的控制系统研究

发布时间：2020-07-29 18:38

【摘要】：目前无人机的结构多数为多旋翼结构和固定翼结构,多旋翼无人机能实现垂直起降,但其速度慢,固定翼无人机机动性好能高速巡航,但需要借助跑道起飞,因此针对一些特定的场合二者都不能满足飞行的要求。本文设计的倾转旋翼无人机是将多旋翼飞行器的结构和固定翼飞行器的结构相结合,既能垂直起降又能实现高速巡航,是未来无人机的发展趋势。作为一种新型飞行器,倾转旋翼无人机具备飞行效率高、噪声低、载重量大、机动性好等优点。目前国内外对于倾转旋翼无人机的研究也越来越多,特别是针对倾转旋翼这一特定机型的控制系统。本论文主要研究的是倾转旋翼无人机的整体控制系统。根据设计要求,倾转旋翼无人机在三种飞行模式下都能稳定的飞行,特别是对于过渡过程,要稳定的由多旋翼模式切换到固定翼模式。本文的具体研究工作如下:首先设计倾转旋翼无人机外形结构,其飞行模式分为多旋翼飞行模式、过渡过程模式和固定翼模式,介绍三种飞行模式下的飞行原理。由于其在飞行过程中气动性复杂,需要分别建立三种飞行模式下倾转旋翼无人机的动力学模型,并适当作出假设条件简化动力学模型,得出其运动方程和转动方程。接着介绍倾转旋翼无人机的硬件结构和原理,介绍了主控芯片、传感器以及外部设备的选型,讲述其原理。然后搭配出整个倾转旋翼飞行器的动力学系统,从电机、螺旋桨、电调再到电池的选型,由飞行器的重量以及负载来确定所需要的升力,确定出这四者之间的搭配关系,组合出一套最佳的动力系统。然后针对动力学模型,设计控制器。在多旋翼模式下设计姿态回路和位置回路的控制器,分析其传递函数的伯德图,得出最佳的参数。在过渡过程选择了粒子群算法来搜索最优的控制器参数和作用权重,利用Matlab仿真姿态角和位置。最后是整体软件的设计,由通讯模块,遥控器模块,姿态估计模块,姿态位置控制模块等组成,其中最重要的是姿态估计的程序设计。最后进行实际试飞实验,验证控制系统的可行性,分析实际飞行过程中的姿态信息。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1
【图文】：

基于倾转旋翼无人机的控制系统研究说我国研究倾转旋翼无人机存在着一些基础上的难题：第一是实还不完善。第二是控制系统的复杂程度，系统的好坏很大程度上和稳定性。不过随着我国航天事业的快速发展，相信这些技术难出安全可靠稳定高性能的倾转旋翼无人机，发挥出最大的优势特

2.1 无人机的飞行模式和飞行原理2.1.1 飞行模式本文所设计的倾转旋翼无人机采用四个旋翼，对称分布在机翼的前后左右，在飞尾部采用传统固定翼飞机的垂尾和平尾模式。相比于国际上主流的 V-22 鱼鹰号倾转旋翼无人机，拥有四个旋翼可以极大保持飞行过程中的稳定性和安全性，当其中两个生故障失效时，另外两个可以保持动力。一般来说不管是倾转二旋翼无人机还是倾转旋翼无人机，其飞行模式大都可以分为以下三种：多旋翼飞行模式、过渡过程模式、定翼模式[9]。当飞行垂直起降时，四个旋翼垂直于水平状态，提供向上的升力，此时飞机处于旋翼飞行模式。当飞机达到一定的初始速度后，四个旋翼从垂直于水平状态偏转到水状态，即从 0-90 度的偏转，这个过程处于过渡过程模式。当四个旋翼偏转到水平状后，实现高速巡航，此时飞机处于固定翼模式。

2.1 无人机的飞行模式和飞行原理2.1.1 飞行模式本文所设计的倾转旋翼无人机采用四个旋翼，对称分布在机翼的前后左右，在飞尾部采用传统固定翼飞机的垂尾和平尾模式。相比于国际上主流的 V-22 鱼鹰号倾转旋翼无人机，拥有四个旋翼可以极大保持飞行过程中的稳定性和安全性，当其中两个生故障失效时，另外两个可以保持动力。一般来说不管是倾转二旋翼无人机还是倾转旋翼无人机，其飞行模式大都可以分为以下三种：多旋翼飞行模式、过渡过程模式、定翼模式[9]。当飞行垂直起降时，四个旋翼垂直于水平状态，提供向上的升力，此时飞机处于旋翼飞行模式。当飞机达到一定的初始速度后，四个旋翼从垂直于水平状态偏转到水状态，即从 0-90 度的偏转，这个过程处于过渡过程模式。当四个旋翼偏转到水平状后，实现高速巡航，此时飞机处于固定翼模式。

【参考文献】

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本文编号：2774347