發(fā)布時間：2017-10-23 00:04

  本文關(guān)鍵詞：可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器設(shè)計與控制研究

  更多相關(guān)文章： 變結(jié)構(gòu) 無人飛行器 四旋翼 固定翼 設(shè)計

【摘要】：可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器,是指一種融合了多旋翼直升機的垂直起降和固定翼飛機的高速巡航特點的飛行器,具有無人駕駛和小型化的特點。無人機主要由機身載體系統(tǒng)(微控制器和多傳感測量單元以及實時機載飛行記錄模塊等單元構(gòu)成的自動駕駛控制系統(tǒng))、地面站設(shè)備(無線傳輸單元,遙控裝置,任務(wù)控制裝置)以及有效載荷三部分組成。針對現(xiàn)有四旋翼直升機存在飛行速度低、航程短等問題,本論文以四旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)研究為背景,開發(fā)一種集直升機的垂直起降與固定翼飛機的高速巡航功能于一體的變結(jié)構(gòu)飛行器,該飛行器應(yīng)能夠達(dá)到以下目標(biāo)：飛行器要具備多旋翼飛機垂直起降,多角度姿態(tài)可控的特點；所設(shè)計的飛行器能利用固定翼高速巡航,更高能效比的特點；融合直升機和固定翼飛行器的特點且具有平飛和懸停兩種飛行狀態(tài)的自由切換功能；開發(fā)出適用于可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器的控制算法,本論文主要有以下幾方面內(nèi)容：首先,對比固定翼飛機和多旋翼直升飛機的優(yōu)缺點,重點分析現(xiàn)有的四旋翼飛機的結(jié)構(gòu)特點、動力學(xué)模型以及采用的傳感器和控制元器件,針對MEMS傳感器的精度不足基于卡爾曼濾波器信號采集處理和四旋翼飛機的姿態(tài)控制算法以及現(xiàn)場實際的飛行情況。其次,提出了一種全新的可實現(xiàn)姿態(tài)與速度控制解耦的多旋翼變結(jié)構(gòu)無人機的空氣動力學(xué)布局,其結(jié)構(gòu)特點是在四旋翼的基礎(chǔ)上添加一對固定翼和渦扇推力電機的變結(jié)構(gòu)無人飛行器,在水平飛行時機身兩側(cè)的雙涵道渦扇和機翼共同向前傾斜以產(chǎn)生向后的推力和向上的升力。給出變結(jié)構(gòu)飛行器的三維建模,開發(fā)出可變結(jié)構(gòu)無人飛行器的樣機,對飛行器固定翼進(jìn)行流固耦合力學(xué)仿真分析。然后,著重研究變結(jié)構(gòu)飛行器在懸停與平飛的相互轉(zhuǎn)換過程中機體結(jié)構(gòu)變化對其動態(tài)模型結(jié)構(gòu)的影響,建立包含精確描述機體結(jié)構(gòu)變化的完整的動態(tài)模型,探索設(shè)計布局對動態(tài)性能的影響及其與控制實現(xiàn)的關(guān)系,給出相應(yīng)的控制算法。最后,針對現(xiàn)有的四旋翼飛行器的Sigmoid路徑規(guī)劃算法定點巡航時需要作短暫停留的不足,充分利用變結(jié)構(gòu)多旋翼無人飛行器的高速巡航的特點,嘗試應(yīng)用飛行狀態(tài)更連貫平滑的Dubins路徑規(guī)劃算法,給出仿真分析。
【關(guān)鍵詞】：變結(jié)構(gòu) 無人飛行器 四旋翼 固定翼 設(shè)計
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-17
• 引言17-18
• 第1章 緒論18-31
• 1.1 課題研究的背景、意義18-23
• 1.1.1 變結(jié)構(gòu)無人飛行器研究背景情況18
• 1.1.2 多旋翼飛行器18-22
• 1.1.3 固定翼無人飛行器22-23
• 1.2 研究現(xiàn)狀23-29
• 1.2.1 國外的研究動態(tài)23-28
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3 研究意義和目標(biāo)29-30
• 1.4 本論文主要工作和內(nèi)容30-31
• 第2章 四旋翼無人機31-49
• 2.1 概述31-39
• 2.1.1 四旋翼無人機空間坐標(biāo)表示37
• 2.1.2 歐拉角坐標(biāo)變換37-38
• 2.1.3 四旋翼無人機的飛行動力學(xué)38-39
• 2.2 四旋翼無人機的控制算法39-45
• 2.2.1 四旋翼姿態(tài)控制算法40-41
• 2.2.2 四旋翼高度控制算法41-44
• 2.2.3 四旋翼水平控制算法44-45
• 2.3 四旋翼飛行器的MATLAB仿真系統(tǒng)45-46
• 2.4 四旋翼飛行器的軟件系統(tǒng)46-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器設(shè)計49-70
• 3.1 固定翼的設(shè)計50-57
• 3.1.1 機翼的流體動力特性51
• 3.1.2 升力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律51-52
• 3.1.3 選擇翼型及相關(guān)參數(shù)52-54
• 3.1.4 CLARK Y翼型特性分析54-57
• 3.2 變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計57-60
• 3.3 機翼的單向流固耦合分析60-69
• 3.3.1 流固耦合62-63
• 3.3.2 問題簡述及其計算分析63
• 3.3.3 固定翼的單向流固耦合計算63-69
• 3.4 本章小結(jié)69-70
• 第4章 可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器動力學(xué)建模70-75
• 4.1 變結(jié)構(gòu)無人機動力學(xué)建模70-74
• 4.2 本章小結(jié)74-75
• 第5章 變結(jié)構(gòu)飛行器基于Dubins算法的軌跡規(guī)劃75-86
• 5.1 Dubins最短路徑規(guī)劃算法75-77
• 5.2 變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機二維軌跡規(guī)劃算法77-85
• 5.2.1 無人機的最小轉(zhuǎn)彎半徑77
• 5.2.2 起始圓與終止圓心坐標(biāo)77-78
• 5.2.3 二維Dubins路徑飛行方式的確定78-79
• 5.2.4 無人機二維Dubins路徑的求解79-80
• 5.2.5 變結(jié)構(gòu)無人機二維Dubins路徑的長度及時間80
• 5.2.6 二維Dubins路徑的切點80-81
• 5.2.7 變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機二維系統(tǒng)方程及路徑81-82
• 5.2.8 變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機跡規(guī)劃算法研究82
• 5.2.9 基于Dubins函數(shù)的變結(jié)構(gòu)二維軌跡規(guī)劃算法仿真結(jié)果82-85
• 5.3 本章小結(jié)85-86
• 結(jié)論與展望86-88
• 結(jié)論86-87
• 展望87-88
• 參考文獻(xiàn)88-92
• 致謝92-93
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果93

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本文編號：1080670