倾转变形四旋翼飞行器仿真与实验研究

发布时间：2020-11-03 05:31

　　 四旋翼飞行器具有高机动性、垂直起降等优点,在航拍、农保、灾难搜救等领域具有广泛的应用。但传统四旋翼飞行器的欠驱动、强耦合的特性导致无法对其飞行姿态和位置进行独立控制,在地震灾难现场等内部狭窄空间中的通过性较差,限制了四旋翼飞行器的任务执行能力。本文针对狭窄空间的飞行需求,设计了一款倾转四旋翼飞行器,可以以倾转姿态通过狭窄飞行空间,具有重要的理论意义和应用前景。设计出一种倾转变形四旋翼飞行器结构,在传统四旋翼飞行器的基础上,增加了一个倾转自由度,由一个舵机驱动四个旋翼同步、同向倾转,实现飞行器俯仰姿态的独立控制。采用Fluent流体仿真软件,分析了不同转速、不同倾转角度下旋翼产生的升力、扭矩,获得了倾转角度对旋翼升力、扭矩以及飞行器总升力和扭矩的影响规律。搭建了飞行实验系统,测试了不同转速、不同倾转角度下旋翼产生的升力,验证了气动力仿真模型的有效性。建立了倾转变形四旋翼飞行器动力学模型,采用MATLAB SimMechanics进行了动力学仿真,设计了包含倾转角度控制的串级PID控制器,开发了飞行器可视化仿真系统,实现了倾转四旋翼飞行器穿越狭窄空间的飞行仿真,分析了倾转姿态下飞行的动态响应和轨迹跟踪性能。设计了倾转四旋翼飞行器飞控系统,研制了原理样机,针对不同飞行模式进行了飞行实验。结果表明,飞行器可以在正常飞行模式下稳定飞行,也能够以倾转60°的姿态稳定悬停和飞行,实验验证了飞行仿真系统的和控制方案的有效性。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：V211
【部分图文】：

论文2研究现状1.2.1国外研究现状国外研究倾转旋翼飞行器相对较早，科研人员研究了多种具有倾斜能力的多旋翼无人机结构，它们分别为倾斜螺旋桨，倾斜机臂和倾斜框架三种类型[2]。埃及坦塔大学[3]为解决四旋翼欠驱动问题，提出了基于实验验证的设计修正方法，同时增加飞行器的自由度和改善飞行器的悬停。通过为螺旋桨增加四个额外的旋转，实现了横滚角与y轴方向移动解耦和俯仰角与x轴方向移动解耦，其中螺旋桨的旋转轴垂直于机臂。他们对所提出的飞行器进行了仿真验证，仿真结果表明，提出的四旋翼飞行器改进方案（图1-1）在两种情况下都是有效的：即四旋翼飞行器倾斜悬停而没有任何平移运动；水平移动而没有任何倾斜。巴西航空研究所[4]模拟和设计了可向内倾斜螺旋桨的四旋翼飞行器（图1-2），为了使螺旋桨倾斜，与埃及坦塔大学不同的是该飞行器配备了基于记忆形状合金的机械装置，允许螺旋桨倾斜角度在0°到30°之间变化。当没有电流通过记忆合金丝时，记忆合金丝的温度会降低，在较小的应力作用下其长度增加，螺旋桨向内倾斜。当电流通过导线时，其温度升高，记忆合金丝的长度缩短，螺旋桨恢复垂直状态。文献中利用MATLAB/Simulink对飞行器进行了分析和仿真研究，仿真结果表明，当飞行器的螺旋桨处于垂直状态时具有更好的稳定性，而螺旋桨处于倾斜状态时具有更高的机动性。德国马克斯普朗克研究所的Ryll等人[5-8]同样提出了具有倾斜螺旋桨的四旋翼飞行器（图1-3），他们在螺旋桨所在机臂的末端配备了倾转电机，螺旋桨能够沿各自的旋转轴旋转，这样的配置允许飞行器独立地控制位置和高度。他们采用了基于动力学的线性补偿控制，并成功进行了飞行实验，但是倾斜角度的范围相对狭窄。图1-1埃及坦塔大学倾转飞行器模型Fig.1-1TiltAircr

种类型[2]。埃及坦塔大学[3]为解决四旋翼欠驱动问题，提出了基于实验验证的设计修正方法，同时增加飞行器的自由度和改善飞行器的悬停。通过为螺旋桨增加四个额外的旋转，实现了横滚角与y轴方向移动解耦和俯仰角与x轴方向移动解耦，其中螺旋桨的旋转轴垂直于机臂。他们对所提出的飞行器进行了仿真验证，仿真结果表明，提出的四旋翼飞行器改进方案（图1-1）在两种情况下都是有效的：即四旋翼飞行器倾斜悬停而没有任何平移运动；水平移动而没有任何倾斜。巴西航空研究所[4]模拟和设计了可向内倾斜螺旋桨的四旋翼飞行器（图1-2），为了使螺旋桨倾斜，与埃及坦塔大学不同的是该飞行器配备了基于记忆形状合金的机械装置，允许螺旋桨倾斜角度在0°到30°之间变化。当没有电流通过记忆合金丝时，记忆合金丝的温度会降低，在较小的应力作用下其长度增加，螺旋桨向内倾斜。当电流通过导线时，其温度升高，记忆合金丝的长度缩短，螺旋桨恢复垂直状态。文献中利用MATLAB/Simulink对飞行器进行了分析和仿真研究，仿真结果表明，当飞行器的螺旋桨处于垂直状态时具有更好的稳定性，而螺旋桨处于倾斜状态时具有更高的机动性。德国马克斯普朗克研究所的Ryll等人[5-8]同样提出了具有倾斜螺旋桨的四旋翼飞行器（图1-3），他们在螺旋桨所在机臂的末端配备了倾转电机，螺旋桨能够沿各自的旋转轴旋转，这样的配置允许飞行器独立地控制位置和高度。他们采用了基于动力学的线性补偿控制，并成功进行了飞行实验，但是倾斜角度的范围相对狭窄。图1-1埃及坦塔大学倾转飞行器模型Fig.1-1TiltAircraftModelofTantaUniversityEgypt图1-2巴西航空研究所倾转飞行器模型Fig.1-2TheBrazilianAerospaceInstituteTiltingAircraftModel

1绪论3图1-3Ryll等人设计的倾转飞行器模型Fig.1-3ATiltingVehicleModelDesignedbyRyllEtAl.辛辛那提大学合作式分布系统实验室[9-10]以及A.Oosedo等人[11]设计了具有倾斜机臂的四轴飞行器。与倾斜螺旋桨方式不同的是，倾斜机臂是通过为每个机臂使用一个额外的电机来实现，该附加电机使机臂能够沿各自的旋转轴旋转，共需要8个控制输入，4个输入用于控制螺旋桨推进器的转速，其余4个输入用于控制机臂的倾转方向，这种配置的特点是将常规四旋翼飞行器转换为完全驱动的飞行器。其中辛辛那提大学合作式分布系统实验室开发了基于倾转四旋翼系统的动态模型控制器，实验期间在原理样机（图1-4）上应用了所提出的控制方案，证明了飞行器具有倾斜方向悬停和导航的能力。在后续的研究中[10]，该实验室还提出了一种前馈控制方法，使螺旋桨的旋转运动与螺旋桨倾斜同步工作，用于在自主飞行过程中通过倾斜旋翼的方法实现四轴飞行器进行复杂的轨迹跟踪，并建立了基于差分平面度的飞行控制器的详细控制架构。该研究揭示了在复杂轨迹跟踪期间，倾转四旋翼飞行器比普通四旋翼飞行器更有效。由于飞行器在正常飞行和垂直飞行条件下具有不同的动力学模型，日本东北大学A.Oosedo等人设计了用于明显不同的姿态条件的控制系统。此外，提出了两种关于飞行器姿态的飞行控制系统切换方法。所设计的控制系统和切换方法被实施到开发的飞行器上（图1-5），并且进行了验证实验。实验验证表明，开发的飞行器具有宽范围的倾斜角度，倾斜角度范围为0°到260°。图1-4倾转四旋翼飞行器Fig.1-4TiltingQuadcopter
【参考文献】

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本文编号：2868164