尾座式垂直起降无人机动力系统设计及其控制技术研究

摘要

尾座式垂直起降无人机采用机尾座地式垂直起飞和降落，空中通过倾转机体实现悬停和平飞的模式转换。由于旋翼轴无需相对机身转动，推力相对于机体同步换向，尾座式垂直起降方案具有结构简单的优势，获得国内外军方高度重视。本文针对VD200尾座式垂直起降无人机（以下简称VD200无人机）开展动力系统设计及其控制技术研究。
　　首先，设计了VD200无人机的动力系统。综合考虑功率载荷、功率密度和燃油经济性，对比分析不同类型发动机，选取了满足动力需求的转子发动机。为兼顾直升机模式的悬停功率和固定翼模式的巡航效率，设计了螺桨-旋翼推进方案，通过计算确定桨叶直径、桨叶数目等原理参数。
　　其次，开展桨发匹配研究。通过地面试车和数字计算，获得发动机功率特性曲线和螺桨-旋翼负载特性曲线，设计了悬停状态和平飞状态两个典型设计点的桨发匹配，为后续发动机各个状态下功率设计提供依据。
　　最后，搭建动力控制系统。根据动力控制系统的任务需求，选择测量发动机温度、压力、转速等参数的传感器和舵机等执行机构，并设计相应的调理电路，研制出机载控制计算机。同时，开发发动机机载控制软件和地面测控软件，实现了一键起动、双发并车和转速控制等功能，搭建完整的动力控制系统。
　　本文根据尾座式垂直起降无人机的特殊任务要求，设计动力系统，并搭建了完整的动力控制系统，有较大的工程应用价值。

目录

声明

摘要

符号表

缩略词

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 垂直起降无人机

1．1．2 垂直起降无人机动力系统

1．1．3 数字电子控制系统

1．1．4 研究意义

1．2 本文的主要内容

第二章 动力系统方案设计

2．1 动力系统主要技术指标

2．2 动力选型方案

2．2．1 功率密度选取

2．2．2 耗油率选取

2．2．3 动力匹配

2．3 螺桨-旋翼原理参数选取

2．3．1 桨叶形式选取

2．3．2 直径和数目选取

2．3．3 转速选取

2．4 动力传输装置介绍

2．5 本章小结

第三章 动力系统对象特性分析及控制总体方案设计

3．1 动力系统特性分析

3．1．1 发动机特性

3．1．2 螺桨-旋翼负载特性

3．1．3 桨发匹配

3．2 控制系统总体方案

3．2．1 硬件系统总体设计

3．2．2 软件系统总体设计

3．3 本章小结

第四章 控制系统硬件设计

4．1 控制系统结构

4．1．1 信号输入部分

4．1．2 数字电子控制器

4．1．3 执行机构

4．2 硬件系统设计

4．2．1 中央处理器

4．2．2 电源模块

4．2．3 功率驱动模块

4．2．4 传感器选型与信号调理

4．2．5 控制器样件

4．3 本章小结

第五章 控制系统软件设计

5．1 机载软件总体框架设计

5．1．1 硬件底层驱动

5．1．2 微时序调度系统

5．1．3 传感器采集模块

5．1．4 负载驱动模块

5．1．5 通讯模块

5．2 机载软件功能设计

5．2．1 一键起动

5．2．2 双发并车

5．2．3 转速控制

5．2．4 边界保护

5．3 地面测控软件

5．3．1 运行参数监控

5．3．2 控制指令操作

5．3．3 控制参数设置

5．3．4 数据处理与储存

5．4 通道测试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文主要研究内容

6．2 需进一步研究的工作

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间研究成果