發(fā)布時間：2021-07-31 16:39

  傾轉(zhuǎn)旋翼機兼具旋翼機(如直升機、多旋翼飛行器等)的低速機動性和定翼機的高速巡航性,是未來新構(gòu)型飛行器的重要發(fā)展方向。作為其重要組成部分的姿態(tài)控制系統(tǒng)是當(dāng)下研究的熱點和難點之一。本文以西北農(nóng)林科技大學(xué)自行研制的雙旋翼技術(shù)驗證機為研究對象,采用機電混控技術(shù),進(jìn)行了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究,為傾轉(zhuǎn)旋翼機在直升機模式下低速飛行、垂直起降階段的姿態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)本文提出了一種簡單、易行的雙旋翼無人機姿態(tài)控制方案。該方案基于單自由度自動傾斜器的傾轉(zhuǎn)和無刷電機的差速實現(xiàn)對無人機三個姿態(tài)角以及高度的控制;通過旋翼的剛體動力學(xué)分析和傾斜器原理的研究,論證了該方案的可行性;采用雙旋翼橫列式(并列式)對稱布局設(shè)計,有效消除了因單一旋翼升力不平衡產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩,從氣動布局上保證了姿態(tài)可控;采用增量式PID算法作為雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心控制算法。(2)完成了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計和選型。分析了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能要求;對系統(tǒng)的硬件部分做了總體設(shè)計,系統(tǒng)硬件被分解為主控芯片(飛行控制計算機)、航姿測量系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、航姿操縱系統(tǒng)、旋翼傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)五大硬件模塊;研究了每個模塊的功能和組成并做了相應(yīng)的硬件選型。(3)完成了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)。采用MDK uVision5 IDE集成開發(fā)環(huán)境作為軟件部分的開發(fā)平臺,選用直接操作寄存器的開發(fā)方式;針對姿態(tài)控制系統(tǒng)軟件部分的不同功能做了任務(wù)劃分,具體劃分為經(jīng)串口讀取慣導(dǎo)模塊(航姿)數(shù)據(jù)、輸出PWM波控制無刷電機(舵機)、定時器輸入捕獲遙控器信號、步進(jìn)電機的驅(qū)動、PID控制算法;在任務(wù)劃分基礎(chǔ)上,對各個相對獨立的任務(wù)進(jìn)行了模塊化設(shè)計并撰寫了相應(yīng)的算法程序。(4)進(jìn)行了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟硬件集成和系統(tǒng)調(diào)試試驗。通過系統(tǒng)調(diào)試試驗,驗證了姿態(tài)控制方案的可行性;運用參數(shù)歸一法和試湊法相結(jié)合的方式,對控制算法的參數(shù)進(jìn)行了整定,并分析了整定過程中PID參數(shù)改變對姿態(tài)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性的影響;為改善姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì),對控制算法進(jìn)行了串級PID和微分先行PID的改進(jìn)和優(yōu)化;最終實現(xiàn)了無人機滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制增穩(wěn)和隨動控制,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5°,延遲時間在1s左右,目標(biāo)跟蹤特性和外擾抑制特性滿足設(shè)計要求。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1;V279

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本文編號：2375770