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倾转三旋翼无人机纵向推力矢量控制研究

飞行力学 2017年第6期35卷 70-74,79页

作者：张飞路平江涛史凤鸣军械工程学院无人机工程系河北石家庄050003

针对倾转三旋翼无人机纵向姿态控制问题开展研究,结合倾转三旋翼无人机构型的特殊性,提出了一种基于推力矢量控制的纵向姿态控制策略,同时基于新型的推力矢量控制方法设计了更高效的倾转三旋翼无人机操纵机制;采用牛顿-欧拉法对倾转三... 详细信息

针对倾转三旋翼无人机纵向姿态控制问题开展研究,结合倾转三旋翼无人机构型的特殊性,提出了一种基于推力矢量控制的纵向姿态控制策略,同时基于新型的推力矢量控制方法设计了更高效的倾转三旋翼无人机操纵机制;采用牛顿-欧拉法对倾转三旋翼无人机进行动力学建模分析,通过对机翼采取分段分析的方法,设计了旋翼/机翼下洗载荷模型,并进行了仿真和实地飞行试验。试验结果表明,所提出的纵向姿态控制策略,能有效提高无人机飞行效率,具有更强的速度响应能力,提高了飞行过程中的可靠性和安全性。

关键词：倾转三旋翼无人机纵向姿态推力矢量操纵策略

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倾转三旋翼无人机过渡模式纵向姿态控制

飞行力学 2016年第6期34卷 49-53页

作者：陈琦江涛史凤鸣方亮军械工程学院无人机工程系河北石家庄050003

对倾转三旋翼无人机过渡模式下定高转换的纵向姿态控制进行了研究,为提高纵向操纵效能、解决操纵冗余问题,设计了模态转换中的操纵控制方案;采用牛顿-欧拉法对飞机进行动力学建模分析,建立了纵向动力学模型并给出了过渡转换路径;通过操... 详细信息

对倾转三旋翼无人机过渡模式下定高转换的纵向姿态控制进行了研究,为提高纵向操纵效能、解决操纵冗余问题,设计了模态转换中的操纵控制方案;采用牛顿-欧拉法对飞机进行动力学建模分析,建立了纵向动力学模型并给出了过渡转换路径;通过操纵效能分析对两种操纵机制进行分配,给出了操纵分配的权重和控制律。仿真和实验样机飞行试验地面站数据分析结果表明,按照所设计的操纵分配方案和控制律对飞机过渡模式进行纵向控制,能够使飞机保持平稳过渡。

关键词：倾转三旋翼无人机过渡模式操纵分配飞行控制

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倾转三旋翼无人机关键技术与发展趋势

飞航导弹 2016年第7期 34-37页

作者：陈琦江涛蔚建斌史凤鸣军械工程学院

对倾转三旋翼无人机的特点及关键技术难题进行了介绍和总结,简要介绍了两款倾转三旋翼无人机的基本性能,最后对倾转三旋翼无人机的应用前景和发展方向做了展望。

关键词：倾转三旋翼无人机关键技术飞行控制操纵分配

倾转三旋翼无人机过渡阶段建模与控制技术研究

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倾转三旋翼无人机过渡阶段建模与控制技术研究

作者：余立国防科技大学

学位级别：硕士

倾转三旋翼无人机同时具备旋翼与固定翼飞行器的特点,通过旋翼的倾转运动实现旋翼模态与固定翼模态间的切换,可实现垂直起降、空中悬停、高速巡航等飞行模式。变结构带来许多优点的同时也伴随着很多技术难题,特别是过渡模态的飞行控制,... 详细信息

倾转三旋翼无人机同时具备旋翼与固定翼飞行器的特点,通过旋翼的倾转运动实现旋翼模态与固定翼模态间的切换,可实现垂直起降、空中悬停、高速巡航等飞行模式。变结构带来许多优点的同时也伴随着很多技术难题,特别是过渡模态的飞行控制,涉及最优倾转路径设计、旋翼及舵面冗余动力分配、姿态稳定与过渡策略等问题。本文针对课题组自行设计的飞行平台,深入研究了过渡模态的建模与飞行控制问题,提出了过渡模态飞行控制的改进方案,完成了飞行特性分析、控制分配方案制定、倾转策略设计、全模态飞行控制系统设计与仿真、飞行验证等研究工作。具体内容如下:(1)综合考虑多旋翼和固定翼的动力学特性,建立了融合旋翼和舵面控制的飞行动力学模型。基于旋翼几何布局、固定翼飞行动力学方程,完成了动力几何布局测量,电动旋翼拉力、扭矩特性测试,得到旋翼动力学模型。利用飞行试验对固定翼空气动力学参数进行了辨识,得到相应的参数。综合各项物理测试数据,建立精确的过渡模态飞行动力学模型。(2)以倾转过程的理想飞行状态为目标,利用体坐标系下的静力学平衡方程,设计最优倾转路径。过渡飞行过程中,受旋翼最大转速限制,旋翼倾转过快或过慢都不利于稳定飞行,为确保过渡飞行稳定性,旋翼拉力和气动力必须合理匹配以克服飞行过程中的重力和阻力,达到最大的控制裕度。通过配平过渡飞行模态的力、力矩平衡方程,得到倾转角度与飞行速度的关系,采用最小二乘法拟合出最优倾转路径。(3)综合固定翼的气动力和旋翼的拉力,完成了过渡模态控制分配方案设计。过渡飞行模态是本文的研究重点也是难点,针对过渡模态的飞行特性提出了两种控制分配方案,解耦控制分配和基于效率优化的控制分配,解耦控制中速度较小的第一阶段采用旋翼操纵方式,速度较大的第二阶段采用固定翼操纵方式;基于效率优化的控制分配中同时利用旋翼及固定翼操纵方式进行飞行控制,根据空速采用不同的控制权重。通过仿真分析,新的算法可有效降低过渡阶段高度抖动。(4)以最优倾转路径为基础,采用新设计的控制分配方案,设计了转换策略,有效降低了模态转换过程的姿态晃动和掉高。由于当前转换策略不够平滑,飞行高度存在抖动,以最优倾转路径为基础,设计了连续倾转及回转策略;分别搭建了PID控制器和自抗扰控制器,对比分析不同控制器的控制效果及转换策略的可行性,为后续的研究奠定基础、指明了方向。

关键词：倾转三旋翼无人机过渡模态最优倾转路径控制分配

倾转三旋翼无人机建模与姿态增稳控制技术研究

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倾转三旋翼无人机建模与姿态增稳控制技术研究

作者：潘崇煜国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着传感器技术和自主控制技术的迅猛发展,无人机已经成为世界军事和民用高科技领域的战略制高点,在近年来得到了广泛关注和持续研究。倾转旋翼无人机兼备高效巡航能力和垂直起降功能,在世界各国之间展开了激烈竞争。本文以倾转三旋翼... 详细信息

随着传感器技术和自主控制技术的迅猛发展,无人机已经成为世界军事和民用高科技领域的战略制高点,在近年来得到了广泛关注和持续研究。倾转旋翼无人机兼备高效巡航能力和垂直起降功能,在世界各国之间展开了激烈竞争。本文以倾转三旋翼无人机为研究对象,在对其动力学建模的基础上,开展了旋翼模式以及旋翼/固定翼切换模式下机体姿态增稳控制算法及试验等研究工作。本文主要工作及贡献如下:(1)倾转三旋翼无人机运动模态分析剖析了倾转旋翼无人机系统构成及其工作原理,论述了倾转三旋翼无人机构型相对于双旋翼和四旋翼构型的优势所在,对其典型任务剖面进行了详细描述,分析了各个模态下飞行控制原理,从运动学角度建立了研究对象的数学模型以及运动模态切换过程。(2)倾转三旋翼无人机动力学建模及其参数辨识分析了倾转三旋翼无人机的飞行动力源,基于空间刚体模型建立基础动力学模型,针对不同模态下的具体动力学特性,建立了包括旋翼模式、固定翼模式以及旋翼/固定翼耦合效应的多模态动力学模型,并进行模型参数辨识。(3)倾转三旋翼无人机姿态增稳控制针对倾转三旋翼无人机大角度姿态控制存在的稳定性问题,分析了姿态失稳的原因,提出了基于动态分配的姿态增稳算法,包括基于指标优化的动态分配算法和基于倾转角反馈的动态分配算法,在此基础上,利用Matlab/Simulink搭建数值仿真模型,对不同结构的姿态控制器进行了控制效果验证,验证了基于动态分配算法的姿态控制系统的可行性和有效性。(4)倾转三旋翼无人机增稳控制试验研究依托研究组构建的倾转三旋翼无人机平台开展飞行试验,包括旋翼模式下的姿态增稳飞行试验、旋翼抗扰试验以及大姿态机动试验,在此基础上开展了倾转过渡过程姿态增稳试验验证,包括旋翼向固定翼模式切换和固定翼向旋翼模式切换,完成了倾转三旋翼无人机全流程自主飞行试验,验证了所提的姿态控制算法在旋翼模式和切换模式下的有效性和可行性。

关键词：倾转三旋翼无人机建模与姿态增稳控制模式切换控制

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倾转三旋翼无人机总体与控制系统设计

倾转三旋翼无人机总体与控制系统设计

作者：常慧媛南京航空航天大学

学位级别：硕士

可悬停无人机包括直升机、多旋翼无人机和倾转旋翼无人机等,因其可以进行悬停操作执行任务而得到广泛应用。近年来,兼具垂直起降与快速前飞能力的倾转旋翼无人机逐渐成为研究热点。本文以倾转旋翼无人机为研究对象。首先,根据设计要求,... 详细信息

可悬停无人机包括直升机、多旋翼无人机和倾转旋翼无人机等,因其可以进行悬停操作执行任务而得到广泛应用。近年来,兼具垂直起降与快速前飞能力的倾转旋翼无人机逐渐成为研究热点。本文以倾转旋翼无人机为研究对象。首先,根据设计要求,提出了一种新构型倾转三旋翼无人机设计方案并完成翼型选择及气动参数计算。其次,根据倾转三旋翼无人机飞行运动特点,推导了倾转三旋翼无人机运动数学模型,作为控制系统设计的基础。倾转旋翼无人机具有三种飞行模式:旋翼飞行模式、固定翼飞行模式和过渡飞行模式。在过渡飞行模式下,它同时具有旋翼和固定翼两种操纵特性,两者之间存在强耦合以及高度非线性特性,因而实现旋翼模式与固定翼模式的平稳过渡是倾转旋翼无人机飞行控制的关键及难点所在。因此,本文针对倾转三旋翼无人机过渡段的飞行控制策略进行研究,设计了倾转三旋翼无人机的飞行控制系统,采用经典PID控制方法设计了纵向通道控制律并进行仿真验证,完成了飞控系统的软硬件设计与实现。最后,制作了倾转三旋翼无人机样机并进行了飞行试验。仿真及试飞结果均表明:本文设计的倾转三旋翼无人机满足设计要求且控制方案可行。

关键词：倾转三旋翼无人机总体设计过渡模式控制系统

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倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制

农业机械学报 2018年第10期49卷 16-22页

作者：许景辉马贺周建峰田钰强韩文霆西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 密苏里大学食品与生物工程系哥伦比亚mo65211 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

针对一种倾转三旋翼垂直起降(VTOL)飞行器在悬停状态下的姿态控制问题,设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无... 详细信息

针对一种倾转三旋翼垂直起降(VTOL)飞行器在悬停状态下的姿态控制问题,设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无人机姿态控制实时性和精度要求高的特点,采用串级PID控制算法对载机进行悬停状态下的姿态控制。实验结果表明:串级PID控制算法在悬停状态下能够对倾转三旋翼垂直起降飞行器进行快速、稳定、准确的姿态控制,并具有一定的鲁棒性。在横滚角的内环采用PD控制(Kp为8.371,Kd为3.015),外环采用PD控制(Kp为5.1,Kd为1.15);俯仰角的内环采用PD控制(Kp为3.137,Kd为1.6),外环采用PID控制(Kp为3.43,Ki为0.003,Kd为3.97);偏航角采用PI控制(Kp为9.30,Ki为0.11)时,其悬停状态下具有最优姿态控制效果。研究结果对倾转三旋翼垂直起降飞行器飞行控制的后续研究具有指导作用。

关键词：倾转三旋翼无人机垂直起降串级PID 姿态控制

仿生折叠倾转三旋翼无人机设计与干飞运动控制

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仿生折叠倾转三旋翼无人机设计与干飞运动控制

作者：崔玉宁国防科技大学

学位级别：硕士

仿生折叠倾转三旋翼无人机作为一种新型的无人机,同时具备固定翼和多旋翼的优点,对起降环境要求较低,能够快速到达目标区域执行任务,且具有跨越介质的入水和出水功能,在军用和民用领域具有重要应用价值。本文设计了一种仿生折叠倾转三... 详细信息

仿生折叠倾转三旋翼无人机作为一种新型的无人机,同时具备固定翼和多旋翼的优点,对起降环境要求较低,能够快速到达目标区域执行任务,且具有跨越介质的入水和出水功能,在军用和民用领域具有重要应用价值。本文设计了一种仿生折叠倾转三旋翼无人机,对其建立了动力学模型和并进行了模型参数的辨识,对干飞阶段旋翼模式下的虚拟量分配算法进行了设计与软件仿真,最终搭建出无人机样机进行了多种模式下的飞行试验,达到了预期效果。本文主要进行了以下几方面的工作:(1)针对仿生折叠倾转三旋翼无人机的功能特点,进行了倾转无人机构型的设计并提出了折叠机翼的概念,为无人机的入水动作提供了条件。对倾转三旋翼无人机进行了倾转机构的设计,理论计算表明该设计具有较小的旋翼/机翼气动干扰;对起飞重量进行了计算并进行了动力系统的验证,为无人机的正常飞行功能的实现创造了条件。(2)对仿生折叠倾转三旋翼无人机干飞阶段的固定翼模式和多旋翼模式进行了受力分析和动力学建模,对旋翼模型中的参数进行了实验法辨识,得到了旋翼的拉力系数和扭矩系数、无人机的转动惯量以及倾转舵机控制量和倾转角度的关系,对无人机的开环模型进行了仿真,指明了飞行控制系统对于无人机稳定飞行的重要性。(3)对于干飞阶段的旋翼模式进行了控制量分配的研究,在传统分配方法的基础上进行改进得到了静态分配控制方法和转速优先分配方法,对姿态控制部分的角度控制环和角速度控制环进行了PID控制器的设计。基于控制量分配算法以及PID控制器,在MATLAB/SIMULINK中搭建了无人机飞行控制系统,仿真结果表明转速优先分配方法表现出了较好的性能。(4)基于理论计算结果搭建了倾转三旋翼无人机,并对机载和地面电子设备进行选型,对无人机进行了飞行前的调试,具备飞行条件后进行了定点悬停、悬停干扰、定高飞行、加速前飞等多种模式下的试验,试验结果及数据表明无人机能够实现姿态和位置稳定的飞行任务,为海空跨介质无人机干飞阶段倾转过渡模式以及入水阶段的实现创造了条件。

关键词：倾转三旋翼无人机跨介质仿生设计干飞运动控制

基于CFD和MBD双向耦合方法的倾转三旋翼无人机气动特性分析

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基于CFD和MBD双向耦合方法的倾转三旋翼无人机气动特性分析

作者：吴冬湖南大学

学位级别：硕士

倾转旋翼无人机既具有旋翼飞机垂直起降的功能,又具有固定翼飞机高速、远距离巡航的特点,被众多学者研究。作为倾转旋翼机之一的倾转三旋翼无人机(Tilt Tri-rotor UAV),相对于倾转两旋翼无人机和倾转四旋翼无人机,具有较好的综合性能。... 详细信息

倾转旋翼无人机既具有旋翼飞机垂直起降的功能,又具有固定翼飞机高速、远距离巡航的特点,被众多学者研究。作为倾转旋翼机之一的倾转三旋翼无人机(Tilt Tri-rotor UAV),相对于倾转两旋翼无人机和倾转四旋翼无人机,具有较好的综合性能。目前对倾转旋翼机只进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟,机身固定。该方法并没有考虑无人机在流场中的运动对气动力和流场特性造成的影响,但在仿真分析中,特别是在过渡模式的仿真分析中,倾转旋翼机在流场中的运动对气动特性有很大的影响。本文针对倾转三旋翼无人机直升机模式和过渡模式与复杂大空间计算域动力学仿真问题,发展了一种将完全计算流体动力学和多体动力学(Multi-body Dynamics,MBD)双向耦合应用于倾转三旋翼无人机整体模型的计算方法。在本文的仿真分析中,考虑了倾转三旋翼无人机在流场中的运动,分析了倾转三旋翼无人机直升机模式和过渡模式下的气动特性。采用多层运动嵌套混合网格系统描述旋翼与机身/机翼间的相对运动;针对不同区域的网格,采用不同的网格大小、网格类型和求解方法;结合任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)和动网格技术描述无人机在网格中的运动;为降低计算成本,提出异步长求解策略。仿真过程中,倾转三旋翼无人机左右两旋翼倾转,转速保持不变,控制后旋翼转速,使无人机的运动在仿真过程中保持稳定。利用“Georgia Tech(GT)”旋翼/机身模型验证CFD求解器的有效性。利用所建立的双向耦合计算方法对倾转三旋翼无人机的直升机模式和三种过渡模式实施仿真,并将双向耦合方法的计算结果与传统的完全CFD方法的计算结果进行对比。计算结果表明,本文提出的双向耦合方法能够准确捕捉倾转三旋翼无人机在直升机模式和过渡模式运动过程中旋翼/机翼/机身间的气动特性。

关键词： CFD MBD 双向耦合倾转三旋翼无人机直升机模式过渡模式