可变结构小型多旋翼无人飞行器设计与控制研究

摘要

可变结构小型多旋翼无人飞行器，是指一种融合了多旋翼直升机的垂直起降和固定翼飞机的高速巡航特点的飞行器，具有无人驾驶和小型化的特点。无人机主要由机身载体系统（微控制器和多传感测量单元以及实时机载飞行记录模块等单元构成的自动驾驶控制系统）、地面站设备（无线传输单元，遥控装置，任务控制装置）以及有效载荷三部分组成。针对现有四旋翼直升机存在飞行速度低、航程短等问题，本论文以四旋翼飞行器的关键技术及相关基础研究为背景，开发一种集直升机的垂直起降与固定翼飞机的高速巡航功能于一体的变结构飞行器，该飞行器应能够达到以下目标:飞行器要具备多旋翼飞机垂直起降，多角度姿态可控的特点;所设计的飞行器能利用固定翼高速巡航，更高能效比的特点;融合直升机和固定翼飞行器的特点且具有平飞和悬停两种飞行状态的自由切换功能;开发出适用于可变结构小型多旋翼无人飞行器的控制算法，本论文主要有以下几方面内容:
　　首先，对比固定翼飞机和多旋翼直升飞机的优缺点，重点分析现有的四旋翼飞机的结构特点、动力学模型以及采用的传感器和控制元器件，针对MEMS传感器的精度不足基于卡尔曼滤波器信号采集处理和四旋翼飞机的姿态控制算法以及现场实际的飞行情况。
　　其次，提出了一种全新的可实现姿态与速度控制解耦的多旋翼变结构无人机的空气动力学布局，其结构特点是在四旋翼的基础上添加一对固定翼和涡扇推力电机的变结构无人飞行器，在水平飞行时机身两侧的双涵道涡扇和机翼共同向前倾斜以产生向后的推力和向上的升力。给出变结构飞行器的三维建模，开发出可变结构无人飞行器的样机，对飞行器固定翼进行流固耦合力学仿真分析。
　　然后，着重研究变结构飞行器在悬停与平飞的相互转换过程中机体结构变化对其动态模型结构的影响，建立包含精确描述机体结构变化的完整的动态模型，探索设计布局对动态性能的影响及其与控制实现的关系，给出相应的控制算法。
　　最后，针对现有的四旋翼飞行器的Sigmoid路径规划算法定点巡航时需要作短暂停留的不足，充分利用变结构多旋翼无人飞行器的高速巡航的特点，尝试应用飞行状态更连贯平滑的Dubins路径规划算法，给出仿真分析。

目录

声明

摘要

插图清单

引言

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景、意义

1．1．1 变结构无人飞行器研究背景情况

1．1．2 多旋翼飞行器

1．1．3 固定翼无人飞行器

1．2 研究现状

1．2．1 国外的研究动态

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究意义和目标

1．4 本论文主要工作和内容

第2章 四旋翼无人机

2．1 概述

2．1．1 四旋翼无人机空间坐标表示．

2．1．2 欧拉角坐标变换

2．1．3 四旋翼无人机的飞行动力学

2．2 四旋翼无人机的控制算法

2．2．1 四旋翼姿态控制算法

2．2．2 四旋翼高度控制算法

2．2．3 四旋翼水平控制算法

2．3 四旋翼飞行器的MATLAB仿真系统

2．4 四旋翼飞行器的软件系统

2．5 本章小结

第3章 变结构小型多旋翼无人飞行器设计

3．1 固定翼的设计

3．1．1 机翼的流体动力特性

3．1．2 升力系数随攻角的变化规律

3．1．3 选择翼型及相关参数

3．1．4 CLARK Y翼型特性分析

3．2 变结构小型多旋翼无人飞行器结构设计

3．3 机翼的单向流固耦合分析

3．3．1 流固耦合

3．3．2 问题简述及其计算分析

3．3．3 固定翼的单向流固耦合计算

3．4 本章小结

第4章 可变结构小型多旋翼无人飞行器动力学建模

4．1 变结构无人机动力学建模

4．2 本章小结

第5章 变结构飞行器基于Dubins算法的轨迹规划

5．1 Dubins最短路径规划算法

5．2 变结构多旋翼无人机二维轨迹规划算法

5．2．1 无人机的最小转弯半径

5．2．2 起始圆与终止圆心坐标

5．2．3 二维Dubins路径飞行方式的确定

5．2．4 无人机二维Dubins路径的求解

5．2．5 变结构无人机二维Dubins路径的长度及时间

5．2．6 二维Dubins路径的切点

5．2．7 变结构多旋翼无人机二维系统方程及路径

5．2．8 变结构多旋翼无人机迹规划算法研究

5．2．9 基于Dubins函数的变结构二维轨迹规划算法仿真结果

5．3 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果