对称双翼尾座式无人机系统研究
发布时间:2020-11-12 20:50
随着无人机在军事和民用领域的应用不断深入,传统的固定翼无人机和旋翼无人机已不能满足复杂度越来越高的任务需求。尾座式垂直起降无人机综合了固定翼无人机和旋翼无人机的优点,既可以实现垂直起降和悬停,也可以实现长时间高度巡航,将具有广泛的应用前景。本文针对传统尾座式无人机悬停姿态控制精度低、悬停抗风性差、飞行模式转换速度慢和飞行模式转换过程中高度变化大的问题,设计了一种特殊构型的对称双翼尾座式垂直起降无人机。该无人机采用控制电机转速差的方式调节姿态。尾座式无人机悬停时,电机转速差所产生的控制力矩比舵面所产生的控制力矩更加稳定。因此,采用控制电机转速差的方式调节姿态,提高了尾座式无人机的悬停姿态控制精度。对称双翼的布局使得该无人机具有双向飞行模式转换的能力,提高了该无人机短距离机动性。旋翼倾斜安装的方式解决了螺旋桨滑流在机翼上作用所引起的偏航角发散的问题。本文基于运动学和动力学方程建立了对称双翼尾座式无人机的六自由度非线性数学模型并设计了控制系统。针对尾座式无人机悬停时容易受到侧风干扰的问题,设计了PID-滑模控制的内外层悬停控制系统结构,提高了系统的抗干扰能力。针对飞行模式转换过程中高度不稳定的问题,设计了基于最小时间定高转换策略的转换模式控制系统,有效地解决了转换飞行模式过程中高度变化大的问题。为了提高对称双翼尾座式无人机的姿态测量精度,首先,对姿态测量传感器进行了校正并对数据进行了滤波。然后,利用基于旋转矩阵的互补滤波算法进行姿态计算,得到准确的姿态测量结果。为了验证控制系统的有效性,首先,在SIMULINK中进行了仿真实验。然后,搭建了实验验证装置并进行了实际飞行试验。验证结果表明该无人机具有悬停姿态控制精度高、悬停抗风性强、快速双向飞行模式转换和转换飞行过程高度变化小的特点。
【学位单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:V279
【部分图文】:
根据 EVtank 发布的信息,民用无人机占全球无人机总数的 96%比例还在不断地增加。EVtank 分析师预计未来几年中无人机的数量和幅增长,到 2020 年,全球无人机的销售量将达到 433 万架,市场规模亿美元。伴随着民用无人机产业链不断完善,实现规模化生产,大量推向市场,预计到 2018 年底,我国的无人机产业的市场规模将达到 19]。着无人机在军事和民用领域的应用不断深入,传统的固定翼无人机和已不能满足复杂度越来越高的任务需求。传统的固定翼无人机主要依升力以抵消自身重力,而发动机提供的推力主要用于提升飞行速度或力,所以飞行效率高[10]。因此,固定翼无人机具有航时长、载荷大、等优点。但是固定翼无人机需要起飞和降落的跑道,对起降环境要求翼无人机可以实现垂直起降,对起降环境要求较低。但旋翼无人机的旋桨所产生的力大部分用于抵消自身重力,所以其飞行速度慢、巡航。总而言之,旋翼无人机和固定翼无人机各自的缺点导致其应用范围有常见的旋翼无人机和固定翼无人机。
图 1-2 垂直起降无人Fig.1-2 Typical multirole 从军事应用的角度,垂直起降无人机因其性的军事任务;垂直起降无人机的广泛应用能够最境中的危险性;该类无人机更适合大规模集群作合单兵作战,可以有效提升我军战斗力。从商业民用的角度,垂直起降无人机更加灵应用领域更加广泛,如城市航拍、山区快递运输力巡线领域,由于工作半径大,工作环境多为山但垂直起降无人机可以高效地执行巡检任务。在可以克服复杂的田间环境执行大规模喷洒任务。泛应用将改变人们的工作方式,提高作业效率和垂直起降无人机作为一种组合型无人机,具垂直起降无人机在保持了固定翼无人机特点的前降的技术优势,能够在具有适当面积的平台起飞
倾转旋翼类无人机属于推力/拉力换向类无人机,其旋翼方状态之间相互转化[17-20]。在垂直起降阶段,发动机/旋翼指向上机实现垂直起降和悬停提供升力。在无人机起飞并达到一定飞可向前倾转 90 度,呈水平状态,产生推力,用于克服空气阻力旋翼从垂直向上转换到水平向前的过程为倾转旋翼类无人机的。国外对倾转旋翼机型研制较为成功的是美国的 V-22(鱼鹰)。现该类型无人机飞行模式转换是垂直起降无人机研究领域的热良[21]利用最优控制的方法实现了在动态倾转过程中使过渡时间能指标最小的转换策略。Chowdhury 和 Kulhare[22]利用反步控制旋翼类无人机的飞行模式转换的稳定控制。倾转旋翼类垂直起转旋翼的飞行模式转换的方式,导致其机械结构复杂、对整体飞行控制系统的设计难度较大。在气动分析中需要研究复杂的的要求较高,而倾转机翼垂直起降无人机系统建模难度很大。翼类垂直起降无人机的布局导致其机翼大部分处于螺旋桨滑流桨在垂直起降阶段的气动效率。
【参考文献】
本文编号:2881225
【学位单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:V279
【部分图文】:
根据 EVtank 发布的信息,民用无人机占全球无人机总数的 96%比例还在不断地增加。EVtank 分析师预计未来几年中无人机的数量和幅增长,到 2020 年,全球无人机的销售量将达到 433 万架,市场规模亿美元。伴随着民用无人机产业链不断完善,实现规模化生产,大量推向市场,预计到 2018 年底,我国的无人机产业的市场规模将达到 19]。着无人机在军事和民用领域的应用不断深入,传统的固定翼无人机和已不能满足复杂度越来越高的任务需求。传统的固定翼无人机主要依升力以抵消自身重力,而发动机提供的推力主要用于提升飞行速度或力,所以飞行效率高[10]。因此,固定翼无人机具有航时长、载荷大、等优点。但是固定翼无人机需要起飞和降落的跑道,对起降环境要求翼无人机可以实现垂直起降,对起降环境要求较低。但旋翼无人机的旋桨所产生的力大部分用于抵消自身重力,所以其飞行速度慢、巡航。总而言之,旋翼无人机和固定翼无人机各自的缺点导致其应用范围有常见的旋翼无人机和固定翼无人机。
图 1-2 垂直起降无人Fig.1-2 Typical multirole 从军事应用的角度,垂直起降无人机因其性的军事任务;垂直起降无人机的广泛应用能够最境中的危险性;该类无人机更适合大规模集群作合单兵作战,可以有效提升我军战斗力。从商业民用的角度,垂直起降无人机更加灵应用领域更加广泛,如城市航拍、山区快递运输力巡线领域,由于工作半径大,工作环境多为山但垂直起降无人机可以高效地执行巡检任务。在可以克服复杂的田间环境执行大规模喷洒任务。泛应用将改变人们的工作方式,提高作业效率和垂直起降无人机作为一种组合型无人机,具垂直起降无人机在保持了固定翼无人机特点的前降的技术优势,能够在具有适当面积的平台起飞
倾转旋翼类无人机属于推力/拉力换向类无人机,其旋翼方状态之间相互转化[17-20]。在垂直起降阶段,发动机/旋翼指向上机实现垂直起降和悬停提供升力。在无人机起飞并达到一定飞可向前倾转 90 度,呈水平状态,产生推力,用于克服空气阻力旋翼从垂直向上转换到水平向前的过程为倾转旋翼类无人机的。国外对倾转旋翼机型研制较为成功的是美国的 V-22(鱼鹰)。现该类型无人机飞行模式转换是垂直起降无人机研究领域的热良[21]利用最优控制的方法实现了在动态倾转过程中使过渡时间能指标最小的转换策略。Chowdhury 和 Kulhare[22]利用反步控制旋翼类无人机的飞行模式转换的稳定控制。倾转旋翼类垂直起转旋翼的飞行模式转换的方式,导致其机械结构复杂、对整体飞行控制系统的设计难度较大。在气动分析中需要研究复杂的的要求较高,而倾转机翼垂直起降无人机系统建模难度很大。翼类垂直起降无人机的布局导致其机翼大部分处于螺旋桨滑流桨在垂直起降阶段的气动效率。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 饶进军;程世富;;尾坐式超小型定翼机飞行运动建模与仿真[J];系统仿真学报;2013年03期
2 张志峰;饶进军;;尾坐式超小型无人机的流体动力学仿真研究[J];机械制造;2011年05期
本文编号:2881225
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