小型水上無人機,是結(jié)合水上飛機和無人機的一些特性的特殊飛行器。它既有水上飛機的良好的機動性和可達性,又有著無人機的輕巧便捷、危險性低的特點,因此在水上作業(yè)的效果十分良好。在水上作業(yè),需要有一個平穩(wěn)的姿態(tài),利用捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)進行姿態(tài)測量解算是國內(nèi)外研究的熱點,除此之外,水上無人機從空中飛向水面進行水上滑行時也需要進行相關(guān)控制設(shè)計,否則容易引發(fā)事故。本課題是在閱讀了大量的水上飛機文獻以及相關(guān)的無人機文獻,并對國內(nèi)外水上飛機的現(xiàn)狀進行分析后,提出了主要關(guān)于小型水上無人機的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計、姿態(tài)研究、以及控制率設(shè)計的研究方案。首先詳細介紹了無人機相關(guān)坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理,然后對無人機的姿態(tài)的解算方法(歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法)進行一一分析對比,最后深入研究四元數(shù)法解算姿態(tài)的具體步驟。在水上無人機飛控硬件設(shè)計上,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)動模塊和液晶模塊,組成了一個完整的飛控電路。系統(tǒng)軟件部分則是利用常用的程序開發(fā)平臺來編寫和編譯,對于各個傳感器模塊則是在靜止狀態(tài)下測試其性能參數(shù),采集并保存的數(shù)據(jù)在MATLAB下進行仿真實驗,GPS模塊測試了單個導(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。課題最后則是重點對姿態(tài)研究和著水時的控制率設(shè)計。獨立的陀螺儀測試數(shù)據(jù)誤差較大,因此需要進行誤差修正,通過九軸的信息數(shù)據(jù)來輔助修正,然后進行數(shù)據(jù)融合和組合導(dǎo)航,最終測試結(jié)果顯示組合導(dǎo)航確實精度更高。水上無人機除了空中飛行之外,還能夠水上滑行,對于從空中飛向水面的著水過程會產(chǎn)生不穩(wěn)定運動,這是十分危險的,需要進行控制率的設(shè)計。建立水上飛機水動力方程,根據(jù)著水不同階段的飛行特點,通過PID算法控制,設(shè)計了高度控制回路和姿態(tài)控制回路,在MATLAB/simulink下進行仿真,仿真結(jié)果表明了控制率設(shè)計的合理性和可靠性。
【學(xué)位單位】：南昌航空大學(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】：

1.2 水上飛機國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1905 年 7 月 18 日，法國年輕的飛機設(shè)計師瓦贊駕駛著一架水上滑翔機，納河上進行拖拽實驗，雖然并不是很成功，但是具有開創(chuàng)性，對后人很有啟發(fā) 21 世紀初，全世界范圍內(nèi)已先后研制了 380 多種型號的水上飛機并投入使]。研發(fā)水上飛機的國家有許多，主要有美國、英國、法國、德國、俄羅斯、大、日本和中國等國家。.2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀美國許多公司都研發(fā)和生產(chǎn)過水上無人機。其中有 HU-16 水上飛機（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)了門公司水上飛機的經(jīng)典設(shè)計模式，懸臂式上單翼結(jié)構(gòu)，主起落架安裝在機身，是能夠水陸兩用的兩棲飛機。主要工作任務(wù)是海上巡邏偵查、環(huán)境監(jiān)測、運輸、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 水上飛機國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1905 年 7 月 18 日，法國年輕的飛機設(shè)計師瓦贊駕駛著一架水上滑翔機，納河上進行拖拽實驗，雖然并不是很成功，但是具有開創(chuàng)性，對后人很有啟發(fā) 21 世紀初，全世界范圍內(nèi)已先后研制了 380 多種型號的水上飛機并投入使]。研發(fā)水上飛機的國家有許多，主要有美國、英國、法國、德國、俄羅斯、大、日本和中國等國家。.2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀美國許多公司都研發(fā)和生產(chǎn)過水上無人機。其中有 HU-16 水上飛機（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)了門公司水上飛機的經(jīng)典設(shè)計模式，懸臂式上單翼結(jié)構(gòu)，主起落架安裝在機身，是能夠水陸兩用的兩棲飛機。主要工作任務(wù)是海上巡邏偵查、環(huán)境監(jiān)測、運輸、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。

司水上飛機的經(jīng)典設(shè)計模式，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。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 圖 1-2 LA4-200 水上飛機拿大龐巴迪宇航公司研制的水陸兩棲雙發(fā)螺旋槳飛機 CL-415。C于滅火，飛機上裝備了多個濃縮滅火劑貯箱、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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本文編號：2882977