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倾转三旋翼飞翼无人机系统设计与控制研究

倾转三旋翼飞翼无人机系统设计与控制研究

引用

作者：武志远中国科学技术大学

学位级别：硕士

倾转旋翼无人机作为一种复合式飞行器,既可以像固定翼无人机一样高速巡航,又具有旋翼无人机垂直起降、定点悬停的能力,具有广泛的应用前景。相比于倾转四旋翼,倾转三旋翼无人机具有更高的效率、更加紧凑的构型,然而其动力配置前后不对... 详细信息

倾转旋翼无人机作为一种复合式飞行器,既可以像固定翼无人机一样高速巡航,又具有旋翼无人机垂直起降、定点悬停的能力,具有广泛的应用前景。相比于倾转四旋翼,倾转三旋翼无人机具有更高的效率、更加紧凑的构型,然而其动力配置前后不对称的特点,导致系统耦合性更强,控制难度更大。为了降低倾转三旋翼无人机在垂直起降过程中的控制难度,许多研究人员使用了倾转共轴双旋翼或者尾部单旋翼侧倾的动力单元配置。然而,这样的设计导致了部分动力单元在巡航时成为无效的负载,降低了无人机的有效载荷。为了解决这个问题,本文设计了一种区别于上述配置的倾转三旋翼飞翼无人机系统,机身周围配置的三个旋翼都可通过一定的机械结构纵向倾转。这种构型赋予了无人机在垂直起降过程中以非零俯仰角悬停的能力,但同时增加了控制难度,目前针对这方面的研究仍然较少。因此,本文对无人机在旋翼模式下的位置和姿态的控制进行了研究,主要工作内容分为以下三个方面:1.给出了研究对象的具体构型描述,介绍了其基本的设计原理、不同飞行模式及其相互之间的转换过程,并使用经典的牛顿—欧拉法对无人机进行了运动学与动力学建模;针对动力单元的配置结构,给出了力与力矩的数学模型。2.为了解决无人机在旋翼模式大仰角飞行时易受到侧风扰动以及欧拉角姿态表示方法在俯仰角接近90°时产生奇异性的问题,提出了一种基于单位四元数的线性自抗扰姿态控制算法,并设计了俯仰角解耦的P-PID位置控制算法与任意仰角下的控制分配策略。3.为了验证相关控制算法的有效性,在MATLAB/Simulink环境中搭建控制模型并进行了仿真分析。同时研发了小型试验机,并通过户外飞行试验验证了相关算法在飞控系统上的有效性。

关键词：倾转三旋翼飞翼无人机自抗扰控制控制分配位置姿态控制

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