四旋翼飛行器具有高機(jī)動性、垂直起降等優(yōu)點(diǎn),在航拍、農(nóng)保、災(zāi)難搜救等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)四旋翼飛行器的欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合的特性導(dǎo)致無法對其飛行姿態(tài)和位置進(jìn)行獨(dú)立控制,在地震災(zāi)難現(xiàn)場等內(nèi)部狹窄空間中的通過性較差,限制了四旋翼飛行器的任務(wù)執(zhí)行能力。本文針對狹窄空間的飛行需求,設(shè)計(jì)了一款傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器,可以以傾轉(zhuǎn)姿態(tài)通過狹窄飛行空間,具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)出一種傾轉(zhuǎn)變形四旋翼飛行器結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)四旋翼飛行器的基礎(chǔ)上,增加了一個傾轉(zhuǎn)自由度,由一個舵機(jī)驅(qū)動四個旋翼同步、同向傾轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)飛行器俯仰姿態(tài)的獨(dú)立控制。采用Fluent流體仿真軟件,分析了不同轉(zhuǎn)速、不同傾轉(zhuǎn)角度下旋翼產(chǎn)生的升力、扭矩,獲得了傾轉(zhuǎn)角度對旋翼升力、扭矩以及飛行器總升力和扭矩的影響規(guī)律。搭建了飛行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測試了不同轉(zhuǎn)速、不同傾轉(zhuǎn)角度下旋翼產(chǎn)生的升力,驗(yàn)證了氣動力仿真模型的有效性。建立了傾轉(zhuǎn)變形四旋翼飛行器動力學(xué)模型,采用MATLAB SimMechanics進(jìn)行了動力學(xué)仿真,設(shè)計(jì)了包含傾轉(zhuǎn)角度控制的串級PID控制器,開發(fā)了飛行器可視化仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器穿越狹窄空間的飛行仿真,分析了傾轉(zhuǎn)姿態(tài)下飛行的動態(tài)響應(yīng)和軌跡跟蹤性能。設(shè)計(jì)了傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器飛控系統(tǒng),研制了原理樣機(jī),針對不同飛行模式進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,飛行器可以在正常飛行模式下穩(wěn)定飛行,也能夠以傾轉(zhuǎn)60°的姿態(tài)穩(wěn)定懸停和飛行,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了飛行仿真系統(tǒng)的和控制方案的有效性。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：V211
【部分圖文】：

論文2研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器相對較早，科研人員研究了多種具有傾斜能力的多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)，它們分別為傾斜螺旋槳，傾斜機(jī)臂和傾斜框架三種類型[2]。埃及坦塔大學(xué)[3]為解決四旋翼欠驅(qū)動問題，提出了基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)修正方法，同時(shí)增加飛行器的自由度和改善飛行器的懸停。通過為螺旋槳增加四個額外的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了橫滾角與y軸方向移動解耦和俯仰角與x軸方向移動解耦，其中螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸垂直于機(jī)臂。他們對所提出的飛行器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，提出的四旋翼飛行器改進(jìn)方案（圖1-1）在兩種情況下都是有效的：即四旋翼飛行器傾斜懸停而沒有任何平移運(yùn)動；水平移動而沒有任何傾斜。巴西航空研究所[4]模擬和設(shè)計(jì)了可向內(nèi)傾斜螺旋槳的四旋翼飛行器（圖1-2），為了使螺旋槳傾斜，與埃及坦塔大學(xué)不同的是該飛行器配備了基于記憶形狀合金的機(jī)械裝置，允許螺旋槳傾斜角度在0°到30°之間變化。當(dāng)沒有電流通過記憶合金絲時(shí)，記憶合金絲的溫度會降低，在較小的應(yīng)力作用下其長度增加，螺旋槳向內(nèi)傾斜。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，其溫度升高，記憶合金絲的長度縮短，螺旋槳恢復(fù)垂直狀態(tài)。文獻(xiàn)中利用MATLAB/Simulink對飛行器進(jìn)行了分析和仿真研究，仿真結(jié)果表明，當(dāng)飛行器的螺旋槳處于垂直狀態(tài)時(shí)具有更好的穩(wěn)定性，而螺旋槳處于傾斜狀態(tài)時(shí)具有更高的機(jī)動性。德國馬克斯普朗克研究所的Ryll等人[5-8]同樣提出了具有傾斜螺旋槳的四旋翼飛行器（圖1-3），他們在螺旋槳所在機(jī)臂的末端配備了傾轉(zhuǎn)電機(jī)，螺旋槳能夠沿各自的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣的配置允許飛行器獨(dú)立地控制位置和高度。他們采用了基于動力學(xué)的線性補(bǔ)償控制，并成功進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)，但是傾斜角度的范圍相對狹窄。圖1-1埃及坦塔大學(xué)傾轉(zhuǎn)飛行器模型Fig.1-1TiltAircr

種類型[2]。埃及坦塔大學(xué)[3]為解決四旋翼欠驅(qū)動問題，提出了基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)修正方法，同時(shí)增加飛行器的自由度和改善飛行器的懸停。通過為螺旋槳增加四個額外的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了橫滾角與y軸方向移動解耦和俯仰角與x軸方向移動解耦，其中螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸垂直于機(jī)臂。他們對所提出的飛行器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，提出的四旋翼飛行器改進(jìn)方案（圖1-1）在兩種情況下都是有效的：即四旋翼飛行器傾斜懸停而沒有任何平移運(yùn)動；水平移動而沒有任何傾斜。巴西航空研究所[4]模擬和設(shè)計(jì)了可向內(nèi)傾斜螺旋槳的四旋翼飛行器（圖1-2），為了使螺旋槳傾斜，與埃及坦塔大學(xué)不同的是該飛行器配備了基于記憶形狀合金的機(jī)械裝置，允許螺旋槳傾斜角度在0°到30°之間變化。當(dāng)沒有電流通過記憶合金絲時(shí)，記憶合金絲的溫度會降低，在較小的應(yīng)力作用下其長度增加，螺旋槳向內(nèi)傾斜。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，其溫度升高，記憶合金絲的長度縮短，螺旋槳恢復(fù)垂直狀態(tài)。文獻(xiàn)中利用MATLAB/Simulink對飛行器進(jìn)行了分析和仿真研究，仿真結(jié)果表明，當(dāng)飛行器的螺旋槳處于垂直狀態(tài)時(shí)具有更好的穩(wěn)定性，而螺旋槳處于傾斜狀態(tài)時(shí)具有更高的機(jī)動性。德國馬克斯普朗克研究所的Ryll等人[5-8]同樣提出了具有傾斜螺旋槳的四旋翼飛行器（圖1-3），他們在螺旋槳所在機(jī)臂的末端配備了傾轉(zhuǎn)電機(jī)，螺旋槳能夠沿各自的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣的配置允許飛行器獨(dú)立地控制位置和高度。他們采用了基于動力學(xué)的線性補(bǔ)償控制，并成功進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)，但是傾斜角度的范圍相對狹窄。圖1-1埃及坦塔大學(xué)傾轉(zhuǎn)飛行器模型Fig.1-1TiltAircraftModelofTantaUniversityEgypt圖1-2巴西航空研究所傾轉(zhuǎn)飛行器模型Fig.1-2TheBrazilianAerospaceInstituteTiltingAircraftModel

1緒論3圖1-3Ryll等人設(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)飛行器模型Fig.1-3ATiltingVehicleModelDesignedbyRyllEtAl.辛辛那提大學(xué)合作式分布系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室[9-10]以及A.Oosedo等人[11]設(shè)計(jì)了具有傾斜機(jī)臂的四軸飛行器。與傾斜螺旋槳方式不同的是，傾斜機(jī)臂是通過為每個機(jī)臂使用一個額外的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該附加電機(jī)使機(jī)臂能夠沿各自的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，共需要8個控制輸入，4個輸入用于控制螺旋槳推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，其余4個輸入用于控制機(jī)臂的傾轉(zhuǎn)方向，這種配置的特點(diǎn)是將常規(guī)四旋翼飛行器轉(zhuǎn)換為完全驅(qū)動的飛行器。其中辛辛那提大學(xué)合作式分布系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了基于傾轉(zhuǎn)四旋翼系統(tǒng)的動態(tài)模型控制器，實(shí)驗(yàn)期間在原理樣機(jī)（圖1-4）上應(yīng)用了所提出的控制方案，證明了飛行器具有傾斜方向懸停和導(dǎo)航的能力。在后續(xù)的研究中[10]，該實(shí)驗(yàn)室還提出了一種前饋控制方法，使螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與螺旋槳傾斜同步工作，用于在自主飛行過程中通過傾斜旋翼的方法實(shí)現(xiàn)四軸飛行器進(jìn)行復(fù)雜的軌跡跟蹤，并建立了基于差分平面度的飛行控制器的詳細(xì)控制架構(gòu)。該研究揭示了在復(fù)雜軌跡跟蹤期間，傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器比普通四旋翼飛行器更有效。由于飛行器在正常飛行和垂直飛行條件下具有不同的動力學(xué)模型，日本東北大學(xué)A.Oosedo等人設(shè)計(jì)了用于明顯不同的姿態(tài)條件的控制系統(tǒng)。此外，提出了兩種關(guān)于飛行器姿態(tài)的飛行控制系統(tǒng)切換方法。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和切換方法被實(shí)施到開發(fā)的飛行器上（圖1-5），并且進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，開發(fā)的飛行器具有寬范圍的傾斜角度，傾斜角度范圍為0°到260°。圖1-4傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器Fig.1-4TiltingQuadcopter
【參考文獻(xiàn)】

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1 賀翔;陳奕梅;郭建川;修春波;;四旋翼無人飛行器雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)[J];制造業(yè)自動化;2015年18期

2 任嘉;張瑤;沈正帆;;基于修正RNG k-ε模型的葉片泵非設(shè)計(jì)工況數(shù)值模擬[J];艦船科學(xué)技術(shù);2014年10期

3 謝暉;;Matlab GUI與SIMULINK之間參數(shù)互調(diào)方法探討[J];貴州師范學(xué)院學(xué)報(bào);2013年06期

4 褚丹雷,薛小龍,胡國清;基于Matlab-GUI界面的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及Simulink動態(tài)仿真[J];探測與控制學(xué)報(bào);2002年01期

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1 李勁松;獨(dú)立傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器飛行控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

2 劉友才;微小型四旋翼飛行器的位姿信息解算與控制研究應(yīng)用[D];武漢科技大學(xué);2018年

3 張友偉;傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器建模及仿真研究[D];沈陽航空航天大學(xué);2018年

4 黃凱;傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];南京航空航天大學(xué);2018年

5 聶帥;多旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)評估與演進(jìn)[D];北方工業(yè)大學(xué);2017年

6 衡帥;微型可變形四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

7 曾麗芳;共軸傾轉(zhuǎn)旋翼性能及參數(shù)影響研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

8 朱海東;新構(gòu)型傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器總體方案設(shè)計(jì)與研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

9 閆秋紅;垂直起降傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)過渡階段控制問題研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

10 李文超;X750四旋翼飛行器建模與飛行控制研究[D];南京理工大學(xué);2014年

本文編號：2868164