傾轉旋翼機兼具旋翼機(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)是當下研究的熱點和難點之一。本文以西北農林科技大學自行研制的雙旋翼技術驗證機為研究對象,采用機電混控技術,進行了雙旋翼無人機姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究,為傾轉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。主要研究內容與結論如下:(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)對稱布局設計,有效消除了因單一旋翼升力不平衡產生的扭轉力矩,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劃分,具體劃分為經串口讀取慣導模塊(航姿)數據、輸出PWM波控制無刷電機(舵機)、定時器輸入捕獲遙控器信號、步進電機的驅動、PID控制算法;在任務劃分基礎上,對各個相對獨立的任務進行了模塊化設計并撰寫了相應的算法程序。(4)進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)調試試驗。通過系統(tǒng)調試試驗,驗證了姿態(tài)控制方案的可行性;運用參數歸一法和試湊法相結合的方式,對控制算法的參數進行了整定,并分析了整定過程中PID參數改變對姿態(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,對控制算法進行了串級PID和微分先行PID的改進和優(yōu)化;最終實現(xiàn)了無人機滾轉姿態(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,目標跟蹤特性和外擾抑制特性滿足設計要求。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1;V279

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本文編號：2375770