【摘 要】
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随着无人机技术的快速发展,倾转旋翼无人机以其独特的性能优势受到相关科研人员的普遍关注。倾转旋翼无人机作为一种新型无人机,同时具备旋翼式无人机和固定翼式无人机的优点,既能像旋翼式无人机在场地比较小的情况下实现垂直起降,又具备固定翼式无人机的高速巡航能力。尽管现代飞行器的控制技术日趋完善,倾转旋翼无人机性能优势卓著,但实际投入应用的案例并不多。主要原因是倾转无人机在倾转过渡阶段,其动力学模型随旋翼倾转
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随着无人机技术的快速发展,倾转旋翼无人机以其独特的性能优势受到相关科研人员的普遍关注。倾转旋翼无人机作为一种新型无人机,同时具备旋翼式无人机和固定翼式无人机的优点,既能像旋翼式无人机在场地比较小的情况下实现垂直起降,又具备固定翼式无人机的高速巡航能力。尽管现代飞行器的控制技术日趋完善,倾转旋翼无人机性能优势卓著,但实际投入应用的案例并不多。主要原因是倾转无人机在倾转过渡阶段,其动力学模型随旋翼倾转而改变,同时对控制系统的性能要求较高。针对这两大难点,本文首先搭建倾转旋翼无人机的机械构型,建立其动力学模型。根据动力学模型,分别使用了PID控制算法和滑模控制算法进行飞行控制律的设计,并通过仿真实验,比对控制效果。最后,通过实地飞行测试实验和飞行日志数据分析,得出其飞行姿态信息。本文设计倾转旋翼无人机布局为四旋翼系统,在倾转过渡段,由机翼前两个旋翼进行倾转,机翼后两个旋翼固定不变,其飞行模式包括旋翼模式、倾转过渡过程模式和固定翼模式。采用牛顿-欧拉方法建立其三种飞行模式下的线运动方程和角运动方程,为方便控制器的设计,对动力学模型进行合理简化。在此基础上,针对无人机的三种飞行模式,分别使用PID控制方法和滑模方法设计控制器,在滑模控制器的设计中,选择趋近律方法设计其滑模切换面函数,基于李雅普诺夫第二定律验证系统的稳定性,结合动力学模型推导出滑模控制律。通过仿真工具Simulink搭建所设计的控制系统框图,由仿真结果对比滑模控制与PID控制方法的控制效果。在仿真结果中,根据系统动态性能分析,滑模控制产生的超调量要小于PID控制产生的超调量。在系统响应时间上,滑模控制下的响应时间在0到2秒范围内,PID控制下的响应时间在3到5秒范围。由此得出,使用滑模控制算法所设计的飞行控制器具有良好的稳定性。最后是无人机的飞行验证实验,本文所设计的无人机采用的是Pixhawk飞控板,在实地飞行前,通过Mission Planner地面站对飞控板外设组件进行校准。在飞行过程中,无人机共进行了4次倾转过渡过程模式,且能实现安全平稳过渡,控制系统响应速度快。整个飞行过程共耗时约12分钟,实际飞行品质良好。飞行结束后,分析其飞行日志,得出无人机的实时飞行姿态信息。
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