對稱雙翼尾座式無人機系統(tǒng)研究
發(fā)布時間：2020-11-12 20:50
隨著無人機在軍事和民用領(lǐng)域的應用不斷深入,傳統(tǒng)的固定翼無人機和旋翼無人機已不能滿足復雜度越來越高的任務需求。尾座式垂直起降無人機綜合了固定翼無人機和旋翼無人機的優(yōu)點,既可以實現(xiàn)垂直起降和懸停,也可以實現(xiàn)長時間高度巡航,將具有廣泛的應用前景。本文針對傳統(tǒng)尾座式無人機懸停姿態(tài)控制精度低、懸�？癸L性差、飛行模式轉(zhuǎn)換速度慢和飛行模式轉(zhuǎn)換過程中高度變化大的問題,設(shè)計了一種特殊構(gòu)型的對稱雙翼尾座式垂直起降無人機。該無人機采用控制電機轉(zhuǎn)速差的方式調(diào)節(jié)姿態(tài)。尾座式無人機懸停時,電機轉(zhuǎn)速差所產(chǎn)生的控制力矩比舵面所產(chǎn)生的控制力矩更加穩(wěn)定。因此,采用控制電機轉(zhuǎn)速差的方式調(diào)節(jié)姿態(tài),提高了尾座式無人機的懸停姿態(tài)控制精度。對稱雙翼的布局使得該無人機具有雙向飛行模式轉(zhuǎn)換的能力,提高了該無人機短距離機動性。旋翼傾斜安裝的方式解決了螺旋槳滑流在機翼上作用所引起的偏航角發(fā)散的問題。本文基于運動學和動力學方程建立了對稱雙翼尾座式無人機的六自由度非線性數(shù)學模型并設(shè)計了控制系統(tǒng)。針對尾座式無人機懸停時容易受到側(cè)風干擾的問題,設(shè)計了PID-滑�？刂频膬�(nèi)外層懸�？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。針對飛行模式轉(zhuǎn)換過程中高度不穩(wěn)定的問題,設(shè)計了基于最小時間定高轉(zhuǎn)換策略的轉(zhuǎn)換模式控制系統(tǒng),有效地解決了轉(zhuǎn)換飛行模式過程中高度變化大的問題。為了提高對稱雙翼尾座式無人機的姿態(tài)測量精度,首先,對姿態(tài)測量傳感器進行了校正并對數(shù)據(jù)進行了濾波。然后,利用基于旋轉(zhuǎn)矩陣的互補濾波算法進行姿態(tài)計算,得到準確的姿態(tài)測量結(jié)果。為了驗證控制系統(tǒng)的有效性,首先,在SIMULINK中進行了仿真實驗。然后,搭建了實驗驗證裝置并進行了實際飛行試驗。驗證結(jié)果表明該無人機具有懸停姿態(tài)控制精度高、懸�？癸L性強、快速雙向飛行模式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換飛行過程高度變化小的特點。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：
根據(jù) EVtank 發(fā)布的信息，民用無人機占全球無人機總數(shù)的 96%比例還在不斷地增加。EVtank 分析師預計未來幾年中無人機的數(shù)量和幅增長，到 2020 年，全球無人機的銷售量將達到 433 萬架，市場規(guī)模億美元。伴隨著民用無人機產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，大量推向市場，預計到 2018 年底，我國的無人機產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模將達到 19]。著無人機在軍事和民用領(lǐng)域的應用不斷深入，傳統(tǒng)的固定翼無人機和已不能滿足復雜度越來越高的任務需求。傳統(tǒng)的固定翼無人機主要依升力以抵消自身重力，而發(fā)動機提供的推力主要用于提升飛行速度或力，所以飛行效率高[10]。因此，固定翼無人機具有航時長、載荷大、等優(yōu)點。但是固定翼無人機需要起飛和降落的跑道，對起降環(huán)境要求翼無人機可以實現(xiàn)垂直起降，對起降環(huán)境要求較低。但旋翼無人機的旋槳所產(chǎn)生的力大部分用于抵消自身重力，所以其飛行速度慢、巡航�？偠灾�，旋翼無人機和固定翼無人機各自的缺點導致其應用范圍有常見的旋翼無人機和固定翼無人機。
圖 1-2 垂直起降無人Fig.1-2 Typical multirole 從軍事應用的角度，垂直起降無人機因其性的軍事任務；垂直起降無人機的廣泛應用能夠最境中的危險性；該類無人機更適合大規(guī)模集群作合單兵作戰(zhàn)，可以有效提升我軍戰(zhàn)斗力。從商業(yè)民用的角度，垂直起降無人機更加靈應用領(lǐng)域更加廣泛，如城市航拍、山區(qū)快遞運輸力巡線領(lǐng)域，由于工作半徑大，工作環(huán)境多為山但垂直起降無人機可以高效地執(zhí)行巡檢任務。在可以克服復雜的田間環(huán)境執(zhí)行大規(guī)模噴灑任務。泛應用將改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞剑岣咦鳂I(yè)效率和垂直起降無人機作為一種組合型無人機，具垂直起降無人機在保持了固定翼無人機特點的前降的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在具有適當面積的平臺起飛
傾轉(zhuǎn)旋翼類無人機屬于推力／拉力換向類無人機，其旋翼方狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化[17-20]。在垂直起降階段，發(fā)動機/旋翼指向上機實現(xiàn)垂直起降和懸停提供升力。在無人機起飛并達到一定飛可向前傾轉(zhuǎn) 90 度，呈水平狀態(tài)，產(chǎn)生推力，用于克服空氣阻力旋翼從垂直向上轉(zhuǎn)換到水平向前的過程為傾轉(zhuǎn)旋翼類無人機的。國外對傾轉(zhuǎn)旋翼機型研制較為成功的是美國的 V-22(魚鷹)�，F(xiàn)該類型無人機飛行模式轉(zhuǎn)換是垂直起降無人機研究領(lǐng)域的熱良[21]利用最優(yōu)控制的方法實現(xiàn)了在動態(tài)傾轉(zhuǎn)過程中使過渡時間能指標最小的轉(zhuǎn)換策略。Chowdhury 和 Kulhare[22]利用反步控制旋翼類無人機的飛行模式轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定控制。傾轉(zhuǎn)旋翼類垂直起轉(zhuǎn)旋翼的飛行模式轉(zhuǎn)換的方式，導致其機械結(jié)構(gòu)復雜、對整體飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計難度較大。在氣動分析中需要研究復雜的的要求較高，而傾轉(zhuǎn)機翼垂直起降無人機系統(tǒng)建模難度很大。翼類垂直起降無人機的布局導致其機翼大部分處于螺旋槳滑流槳在垂直起降階段的氣動效率。
【參考文獻】
本文編號：2881225
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：
根據(jù) EVtank 發(fā)布的信息，民用無人機占全球無人機總數(shù)的 96%比例還在不斷地增加。EVtank 分析師預計未來幾年中無人機的數(shù)量和幅增長，到 2020 年，全球無人機的銷售量將達到 433 萬架，市場規(guī)模億美元。伴隨著民用無人機產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，大量推向市場，預計到 2018 年底，我國的無人機產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模將達到 19]。著無人機在軍事和民用領(lǐng)域的應用不斷深入，傳統(tǒng)的固定翼無人機和已不能滿足復雜度越來越高的任務需求。傳統(tǒng)的固定翼無人機主要依升力以抵消自身重力，而發(fā)動機提供的推力主要用于提升飛行速度或力，所以飛行效率高[10]。因此，固定翼無人機具有航時長、載荷大、等優(yōu)點。但是固定翼無人機需要起飛和降落的跑道，對起降環(huán)境要求翼無人機可以實現(xiàn)垂直起降，對起降環(huán)境要求較低。但旋翼無人機的旋槳所產(chǎn)生的力大部分用于抵消自身重力，所以其飛行速度慢、巡航�？偠灾�，旋翼無人機和固定翼無人機各自的缺點導致其應用范圍有常見的旋翼無人機和固定翼無人機。
圖 1-2 垂直起降無人Fig.1-2 Typical multirole 從軍事應用的角度，垂直起降無人機因其性的軍事任務；垂直起降無人機的廣泛應用能夠最境中的危險性；該類無人機更適合大規(guī)模集群作合單兵作戰(zhàn)，可以有效提升我軍戰(zhàn)斗力。從商業(yè)民用的角度，垂直起降無人機更加靈應用領(lǐng)域更加廣泛，如城市航拍、山區(qū)快遞運輸力巡線領(lǐng)域，由于工作半徑大，工作環(huán)境多為山但垂直起降無人機可以高效地執(zhí)行巡檢任務。在可以克服復雜的田間環(huán)境執(zhí)行大規(guī)模噴灑任務。泛應用將改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞剑岣咦鳂I(yè)效率和垂直起降無人機作為一種組合型無人機，具垂直起降無人機在保持了固定翼無人機特點的前降的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在具有適當面積的平臺起飛
傾轉(zhuǎn)旋翼類無人機屬于推力／拉力換向類無人機，其旋翼方狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化[17-20]。在垂直起降階段，發(fā)動機/旋翼指向上機實現(xiàn)垂直起降和懸停提供升力。在無人機起飛并達到一定飛可向前傾轉(zhuǎn) 90 度，呈水平狀態(tài)，產(chǎn)生推力，用于克服空氣阻力旋翼從垂直向上轉(zhuǎn)換到水平向前的過程為傾轉(zhuǎn)旋翼類無人機的。國外對傾轉(zhuǎn)旋翼機型研制較為成功的是美國的 V-22(魚鷹)�，F(xiàn)該類型無人機飛行模式轉(zhuǎn)換是垂直起降無人機研究領(lǐng)域的熱良[21]利用最優(yōu)控制的方法實現(xiàn)了在動態(tài)傾轉(zhuǎn)過程中使過渡時間能指標最小的轉(zhuǎn)換策略。Chowdhury 和 Kulhare[22]利用反步控制旋翼類無人機的飛行模式轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定控制。傾轉(zhuǎn)旋翼類垂直起轉(zhuǎn)旋翼的飛行模式轉(zhuǎn)換的方式，導致其機械結(jié)構(gòu)復雜、對整體飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計難度較大。在氣動分析中需要研究復雜的的要求較高，而傾轉(zhuǎn)機翼垂直起降無人機系統(tǒng)建模難度很大。翼類垂直起降無人機的布局導致其機翼大部分處于螺旋槳滑流槳在垂直起降階段的氣動效率。
【參考文獻】
相關(guān)期刊論文 前2條
1 饒進軍;程世富;;尾坐式超小型定翼機飛行運動建模與仿真[J];系統(tǒng)仿真學報;2013年03期
2 張志峰;饒進軍;;尾坐式超小型無人機的流體動力學仿真研究[J];機械制造;2011年05期
本文編號：2881225
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