无人自转旋翼机飞行控制系统的研究与仿真

发布时间：2020-09-28 13:46

　　为了提高农药喷洒和病虫害防治等大田作业的效率,新型农业机械的研发成为目前农业现代化发展的主要目标。目前小型无人机用于小范围农药喷洒虽然已取得不错的效果,但仍不满足大田作业的要求。大田作业需要无人机具备很好的安全性、长时间的续航能力、低速低空飞行能力及一定的抗风能力,当前市场上的无人机多以无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机为主,这三种机型都不能很好地兼顾大田作业的所有要求。无人直升机由于其气动原理的原因会产生很强的下行气流,使地面作物受到损害严重影响作业效果,无人多旋翼由于其抗风能力差、续航能力差无法进行远程作业亦不适合大田作业,固定翼无人机虽然具备很好的续航能力但由于其无法低空低速飞行的原因也不适合农田作业。相较而言,自转旋翼机具备速度低、安全性好、可超短距起降、续航能力强、抗风能力强、机构简单等特点非常适合农田作业。但目前国内外对于无人自转旋翼机的研究相对较少,还没有成熟的无人自转旋翼机控制理论体系出现。因此本文为了解决无人自转旋翼机飞行控制这一问题以自转旋翼机为研究对象,研究内容包括对无人自转旋翼机的气动特性和操纵特性进行研究、建立无人自转旋翼机的全量数学模型、设计无人自转旋翼机的飞行控制策略、利用Simulink对无人自转旋翼机飞行控制系统进行仿真验证。本文首先利用叶素理论对自转旋翼机的旋翼旋转机理做了分析研究,然后对自转旋翼机的气动特性和操纵特性进行了研究,对影响自转旋翼机飞行升力、飞行高度的因素做了分析,对影响自转旋翼机气动特性的各气动部件进行了数学建模,之后根据刚体运动方程得到自转旋翼机的非线性全量数学模型,并利用小偏差优化方法对其进行了简化。其次,根据无人自转旋翼机的操纵特点和独特的气动特性,设计了无人自转旋翼机的姿态控制回路、高度控制回路、航向控制回路、速度控制回路和发动机控制回路。设计了一种针对无人自转旋翼机转弯时减少航迹误差的控制策略。考虑到无人自转旋翼机在飞行时可能因为传感器反馈信号存在误差,导致机体不稳或是无法保持稳定的飞行状态,引入了卡尔曼滤波算法对传感器数据进行滤波处理。再次,利用Simulink建立了自转旋翼机的六自由度模型和自转旋翼机飞行控制系统,考虑到实际飞行中外界环境和旋翼机自身质量变化对旋翼机的干扰,在模拟环境中加入了可变风阻和高斯白噪声。为了验证无人自转旋翼机飞行控制系统的稳定性、响应速度、控制效率和避障飞行的能力,采用了三种飞行航迹对无人自转旋翼机飞行控制系统进行了仿真飞行实验。仿真结果说明无人自转旋翼机飞行控制系统具有很好的稳定性和响应速度,整个系统在起飞后10s内就可以进入稳定状态,当控制量出现大指令波动时能够快速的做出反应迅速控制无人自转旋翼机再次进入稳定飞行状态,并且在飞行航线上存在障碍物时可以在到达目标障碍物前爬升到安全高度。仿真结果说明在实际飞行中自转旋翼机可以对预设航线进行追踪,各观测值都能很好的稳定在设定值附近。这也说明本文设计的自转旋翼机飞行的控制策略是可行的,这也为今后无人自转旋翼机的发展奠定了一定的基础,并提出了一种思路。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249.1
【部分图文】：

无人直升机,机发展,自转旋翼,飞机

0 年代无人直升机的研究成为了当时世界的焦点，美国对无人直升位，在 60 年代的越南战争中美国第一次利用 QH-50D 无人直升机，这也是世界上首次出现无人直升机[6]。相较于无人固定翼和无人究热潮始终没有到来，目前为止世界上还没有成熟的无人自转旋翼方面的文章对无人自转旋翼机进行研究，这也为本文的研究带来的转旋翼机发展历史与现状之父是来自西班牙的工程师—谢巴(Juan de la Cierva Codorniu)[7]。在定翼飞机的技术并不成熟，飞机失事的情况经常发生，为了解决这车飞机”的假设[8]。之所以将其称为“风车飞机”是因为旋翼机的飞的旋翼是无动力的是靠飞机运动时激起气流转动，产生升力，因会坠毁。1925 年第一架自转旋翼机在汉普郡芳白露皇室空军驻地试谢巴设计的 C.4 自转旋翼机[9,10]，如图 1-1 所示。

旋翼机,操纵杆,旋翼,改进方式

图 1-2 C.30 自转旋翼机Fig.1-2 C.30 Autogyro飞可以说是自转旋翼机进化史上的一次飞跃，C.30 颠覆了之前旋翼机姿态的设置，而是采用直接控制旋翼倾斜的方式来对计不仅使自转旋翼机的构造变得更简单，同时也使得自转旋再分别控制副翼和方向舵操纵杆，只需要控制旋翼操纵杆就变化。由于这种改进方式的出现，之后的自转旋翼机也都设计有旋翼机中最受欢迎的机型，C.30 在当时共计生产了超过 180国并成立了 Cierva 旋翼机公司[5]，并开始给许多飞机制造商飞和高安全性让越来越多的科学家对其产生了兴趣。1929 年rva 由 Harold Pitcairn 创办成立，Pitcairn-Cierva 采用四片桨叶的PCA-2(如下图 1-3 所示)，PCA-2 的姿态控制方式与 Cierva 相控制[14]。

旋翼机,操纵杆,旋翼,改进方式

图 1-2 C.30 自转旋翼机Fig.1-2 C.30 Autogyro可以说是自转旋翼机进化史上的一次飞跃，C.30 颠覆了之前旋翼机姿态的设置，而是采用直接控制旋翼倾斜的方式来对计不仅使自转旋翼机的构造变得更简单，同时也使得自转旋再分别控制副翼和方向舵操纵杆，只需要控制旋翼操纵杆就变化。由于这种改进方式的出现，之后的自转旋翼机也都设计旋翼机中最受欢迎的机型，C.30 在当时共计生产了超过 18国并成立了 Cierva 旋翼机公司[5]，并开始给许多飞机制造商飞和高安全性让越来越多的科学家对其产生了兴趣。1929 年va 由 Harold Pitcairn 创办成立，Pitcairn-Cierva 采用四片桨叶CA-2(如下图 1-3 所示)，PCA-2 的姿态控制方式与 Cierva 相控制[14]。

【参考文献】