發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 02:47

　　 小型水上無(wú)人機(jī),是結(jié)合水上飛機(jī)和無(wú)人機(jī)的一些特性的特殊飛行器。它既有水上飛機(jī)的良好的機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性,又有著無(wú)人機(jī)的輕巧便捷、危險(xiǎn)性低的特點(diǎn),因此在水上作業(yè)的效果十分良好。在水上作業(yè),需要有一個(gè)平穩(wěn)的姿態(tài),利用捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量解算是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),除此之外,水上無(wú)人機(jī)從空中飛向水面進(jìn)行水上滑行時(shí)也需要進(jìn)行相關(guān)控制設(shè)計(jì),否則容易引發(fā)事故。本課題是在閱讀了大量的水上飛機(jī)文獻(xiàn)以及相關(guān)的無(wú)人機(jī)文獻(xiàn),并對(duì)國(guó)內(nèi)外水上飛機(jī)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析后,提出了主要關(guān)于小型水上無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、姿態(tài)研究、以及控制率設(shè)計(jì)的研究方案。首先詳細(xì)介紹了無(wú)人機(jī)相關(guān)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理,然后對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)的解算方法(歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法)進(jìn)行一一分析對(duì)比,最后深入研究四元數(shù)法解算姿態(tài)的具體步驟。在水上無(wú)人機(jī)飛控硬件設(shè)計(jì)上,采用主從微處理器(ARM+DSP)作為核心,在外界信息的采集上主要有MIMU單元模塊、氣壓計(jì)模塊、GPS模塊,再加上電源模塊、串口通迅模塊、JTAG模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊和液晶模塊,組成了一個(gè)完整的飛控電路。系統(tǒng)軟件部分則是利用常用的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)編寫(xiě)和編譯,對(duì)于各個(gè)傳感器模塊則是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)試其性能參數(shù),采集并保存的數(shù)據(jù)在MATLAB下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),GPS模塊測(cè)試了單個(gè)導(dǎo)航與雙導(dǎo)航的精度高低,最后采集的數(shù)據(jù)由液晶模塊顯示。課題最后則是重點(diǎn)對(duì)姿態(tài)研究和著水時(shí)的控制率設(shè)計(jì)。獨(dú)立的陀螺儀測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較大,因此需要進(jìn)行誤差修正,通過(guò)九軸的信息數(shù)據(jù)來(lái)輔助修正,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和組合導(dǎo)航,最終測(cè)試結(jié)果顯示組合導(dǎo)航確實(shí)精度更高。水上無(wú)人機(jī)除了空中飛行之外,還能夠水上滑行,對(duì)于從空中飛向水面的著水過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),這是十分危險(xiǎn)的,需要進(jìn)行控制率的設(shè)計(jì)。建立水上飛機(jī)水動(dòng)力方程,根據(jù)著水不同階段的飛行特點(diǎn),通過(guò)PID算法控制,設(shè)計(jì)了高度控制回路和姿態(tài)控制回路,在MATLAB/simulink下進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明了控制率設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。
【學(xué)位單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

1.2 水上飛機(jī)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1905 年 7 月 18 日，法國(guó)年輕的飛機(jī)設(shè)計(jì)師瓦贊駕駛著一架水上滑翔機(jī)，納河上進(jìn)行拖拽實(shí)驗(yàn)，雖然并不是很成功，但是具有開(kāi)創(chuàng)性，對(duì)后人很有啟發(fā) 21 世紀(jì)初，全世界范圍內(nèi)已先后研制了 380 多種型號(hào)的水上飛機(jī)并投入使]。研發(fā)水上飛機(jī)的國(guó)家有許多，主要有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、大、日本和中國(guó)等國(guó)家。.2.1 國(guó)外研究發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)許多公司都研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)水上無(wú)人機(jī)。其中有 HU-16 水上飛機(jī)（英文U-16 Albatross，中文：信天翁），由格魯門公司研發(fā)制作， 信天翁 延續(xù)了門公司水上飛機(jī)的經(jīng)典設(shè)計(jì)模式，懸臂式上單翼結(jié)構(gòu)，主起落架安裝在機(jī)身，是能夠水陸兩用的兩棲飛機(jī)。主要工作任務(wù)是海上巡邏偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸、搜救人員等。除此之外，還有萊克公司研制的 LA4-200 水陸兩棲飛。 信天翁 如圖 1-1 所示，LA4-200 如圖 1-2 所示。

1.2 水上飛機(jī)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1905 年 7 月 18 日，法國(guó)年輕的飛機(jī)設(shè)計(jì)師瓦贊駕駛著一架水上滑翔機(jī)，納河上進(jìn)行拖拽實(shí)驗(yàn)，雖然并不是很成功，但是具有開(kāi)創(chuàng)性，對(duì)后人很有啟發(fā) 21 世紀(jì)初，全世界范圍內(nèi)已先后研制了 380 多種型號(hào)的水上飛機(jī)并投入使]。研發(fā)水上飛機(jī)的國(guó)家有許多，主要有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、大、日本和中國(guó)等國(guó)家。.2.1 國(guó)外研究發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)許多公司都研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)水上無(wú)人機(jī)。其中有 HU-16 水上飛機(jī)（英文U-16 Albatross，中文：信天翁），由格魯門公司研發(fā)制作， 信天翁 延續(xù)了門公司水上飛機(jī)的經(jīng)典設(shè)計(jì)模式，懸臂式上單翼結(jié)構(gòu)，主起落架安裝在機(jī)身，是能夠水陸兩用的兩棲飛機(jī)。主要工作任務(wù)是海上巡邏偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸、搜救人員等。除此之外，還有萊克公司研制的 LA4-200 水陸兩棲飛。 信天翁 如圖 1-1 所示，LA4-200 如圖 1-2 所示。

司水上飛機(jī)的經(jīng)典設(shè)計(jì)模式，懸臂式上單翼結(jié)構(gòu)，主起落架安裝夠水陸兩用的兩棲飛機(jī)。主要工作任務(wù)是海上巡邏偵查、環(huán)境、搜救人員等。除此之外，還有萊克公司研制的 LA4-200 水陸天翁 如圖 1-1 所示，LA4-200 如圖 1-2 所示。圖 1-1 信天翁 水上飛機(jī) 圖 1-2 LA4-200 水上飛機(jī)拿大龐巴迪宇航公司研制的水陸兩棲雙發(fā)螺旋槳飛機(jī) CL-415。C于滅火，飛機(jī)上裝備了多個(gè)濃縮滅火劑貯箱、加水混合系統(tǒng)以及從火災(zāi)區(qū)域就近的河流、湖泊或海上取水，在距水源 6-15km 距 min 就能往返一次，滅火效果十分顯著。CL-415 如圖 1-3 所示。
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