為了提高農(nóng)藥噴灑和病蟲害防治等大田作業(yè)的效率,新型農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)成為目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的主要目標(biāo)。目前小型無人機用于小范圍農(nóng)藥噴灑雖然已取得不錯的效果,但仍不滿足大田作業(yè)的要求。大田作業(yè)需要無人機具備很好的安全性、長時間的續(xù)航能力、低速低空飛行能力及一定的抗風(fēng)能力,當(dāng)前市場上的無人機多以無人直升機、多旋翼無人機、固定翼無人機為主,這三種機型都不能很好地兼顧大田作業(yè)的所有要求。無人直升機由于其氣動原理的原因會產(chǎn)生很強的下行氣流,使地面作物受到損害嚴重影響作業(yè)效果,無人多旋翼由于其抗風(fēng)能力差、續(xù)航能力差無法進行遠程作業(yè)亦不適合大田作業(yè),固定翼無人機雖然具備很好的續(xù)航能力但由于其無法低空低速飛行的原因也不適合農(nóng)田作業(yè)。相較而言,自轉(zhuǎn)旋翼機具備速度低、安全性好、可超短距起降、續(xù)航能力強、抗風(fēng)能力強、機構(gòu)簡單等特點非常適合農(nóng)田作業(yè)。但目前國內(nèi)外對于無人自轉(zhuǎn)旋翼機的研究相對較少,還沒有成熟的無人自轉(zhuǎn)旋翼機控制理論體系出現(xiàn)。因此本文為了解決無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制這一問題以自轉(zhuǎn)旋翼機為研究對象,研究內(nèi)容包括對無人自轉(zhuǎn)旋翼機的氣動特性和操縱特性進行研究、建立無人自轉(zhuǎn)旋翼機的全量數(shù)學(xué)模型、設(shè)計無人自轉(zhuǎn)旋翼機的飛行控制策略、利用Simulink對無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng)進行仿真驗證。本文首先利用葉素理論對自轉(zhuǎn)旋翼機的旋翼旋轉(zhuǎn)機理做了分析研究,然后對自轉(zhuǎn)旋翼機的氣動特性和操縱特性進行了研究,對影響自轉(zhuǎn)旋翼機飛行升力、飛行高度的因素做了分析,對影響自轉(zhuǎn)旋翼機氣動特性的各氣動部件進行了數(shù)學(xué)建模,之后根據(jù)剛體運動方程得到自轉(zhuǎn)旋翼機的非線性全量數(shù)學(xué)模型,并利用小偏差優(yōu)化方法對其進行了簡化。其次,根據(jù)無人自轉(zhuǎn)旋翼機的操縱特點和獨特的氣動特性,設(shè)計了無人自轉(zhuǎn)旋翼機的姿態(tài)控制回路、高度控制回路、航向控制回路、速度控制回路和發(fā)動機控制回路。設(shè)計了一種針對無人自轉(zhuǎn)旋翼機轉(zhuǎn)彎時減少航跡誤差的控制策略。考慮到無人自轉(zhuǎn)旋翼機在飛行時可能因為傳感器反饋信號存在誤差,導(dǎo)致機體不穩(wěn)或是無法保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài),引入了卡爾曼濾波算法對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理。再次,利用Simulink建立了自轉(zhuǎn)旋翼機的六自由度模型和自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng),考慮到實際飛行中外界環(huán)境和旋翼機自身質(zhì)量變化對旋翼機的干擾,在模擬環(huán)境中加入了可變風(fēng)阻和高斯白噪聲。為了驗證無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、控制效率和避障飛行的能力,采用了三種飛行航跡對無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng)進行了仿真飛行實驗。仿真結(jié)果說明無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,整個系統(tǒng)在起飛后10s內(nèi)就可以進入穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)控制量出現(xiàn)大指令波動時能夠快速的做出反應(yīng)迅速控制無人自轉(zhuǎn)旋翼機再次進入穩(wěn)定飛行狀態(tài),并且在飛行航線上存在障礙物時可以在到達目標(biāo)障礙物前爬升到安全高度。仿真結(jié)果說明在實際飛行中自轉(zhuǎn)旋翼機可以對預(yù)設(shè)航線進行追蹤,各觀測值都能很好的穩(wěn)定在設(shè)定值附近。這也說明本文設(shè)計的自轉(zhuǎn)旋翼機飛行的控制策略是可行的,這也為今后無人自轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ),并提出了一種思路。
【學(xué)位單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

0 年代無人直升機的研究成為了當(dāng)時世界的焦點，美國對無人直升位，在 60 年代的越南戰(zhàn)爭中美國第一次利用 QH-50D 無人直升機，這也是世界上首次出現(xiàn)無人直升機[6]。相較于無人固定翼和無人究熱潮始終沒有到來，目前為止世界上還沒有成熟的無人自轉(zhuǎn)旋翼方面的文章對無人自轉(zhuǎn)旋翼機進行研究，這也為本文的研究帶來的轉(zhuǎn)旋翼機發(fā)展歷史與現(xiàn)狀之父是來自西班牙的工程師—謝巴(Juan de la Cierva Codorniu)[7]。在定翼飛機的技術(shù)并不成熟，飛機失事的情況經(jīng)常發(fā)生，為了解決這車飛機”的假設(shè)[8]。之所以將其稱為“風(fēng)車飛機”是因為旋翼機的飛的旋翼是無動力的是靠飛機運動時激起氣流轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生升力，因會墜毀。1925 年第一架自轉(zhuǎn)旋翼機在漢普郡芳白露皇室空軍駐地試謝巴設(shè)計的 C.4 自轉(zhuǎn)旋翼機[9,10]，如圖 1-1 所示。

圖 1-2 C.30 自轉(zhuǎn)旋翼機Fig.1-2 C.30 Autogyro飛可以說是自轉(zhuǎn)旋翼機進化史上的一次飛躍，C.30 顛覆了之前旋翼機姿態(tài)的設(shè)置，而是采用直接控制旋翼傾斜的方式來對計不僅使自轉(zhuǎn)旋翼機的構(gòu)造變得更簡單，同時也使得自轉(zhuǎn)旋再分別控制副翼和方向舵操縱桿，只需要控制旋翼操縱桿就變化。由于這種改進方式的出現(xiàn)，之后的自轉(zhuǎn)旋翼機也都設(shè)計有旋翼機中最受歡迎的機型，C.30 在當(dāng)時共計生產(chǎn)了超過 180國并成立了 Cierva 旋翼機公司[5]，并開始給許多飛機制造商飛和高安全性讓越來越多的科學(xué)家對其產(chǎn)生了興趣。1929 年rva 由 Harold Pitcairn 創(chuàng)辦成立，Pitcairn-Cierva 采用四片槳葉的PCA-2(如下圖 1-3 所示)，PCA-2 的姿態(tài)控制方式與 Cierva 相控制[14]。

圖 1-2 C.30 自轉(zhuǎn)旋翼機Fig.1-2 C.30 Autogyro可以說是自轉(zhuǎn)旋翼機進化史上的一次飛躍，C.30 顛覆了之前旋翼機姿態(tài)的設(shè)置，而是采用直接控制旋翼傾斜的方式來對計不僅使自轉(zhuǎn)旋翼機的構(gòu)造變得更簡單，同時也使得自轉(zhuǎn)旋再分別控制副翼和方向舵操縱桿，只需要控制旋翼操縱桿就變化。由于這種改進方式的出現(xiàn)，之后的自轉(zhuǎn)旋翼機也都設(shè)計旋翼機中最受歡迎的機型，C.30 在當(dāng)時共計生產(chǎn)了超過 18國并成立了 Cierva 旋翼機公司[5]，并開始給許多飛機制造商飛和高安全性讓越來越多的科學(xué)家對其產(chǎn)生了興趣。1929 年va 由 Harold Pitcairn 創(chuàng)辦成立，Pitcairn-Cierva 采用四片槳葉CA-2(如下圖 1-3 所示)，PCA-2 的姿態(tài)控制方式與 Cierva 相控制[14]。

【參考文獻】

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本文編號：2828865