可变结构小型多旋翼无人飞行器的建模与控制算法研究

Combining the special feature of vertical taking-off and landing of helicopters and that of high-speed cruise flight of fixed-wing airplanes, the aircraft with variable structures have been remarked due to their specific functional advantages. Although its design concept has been applied to small rotor-based UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) in recent years, there haven’t been successful reports yet. According to literature survey, the main reason is that in their design, the configuration and parameter varying, including alters of inertial and the center of mass caused by the changed body structure, hasn’t been taken into account in their dynamic modeling. Aimed at solving this kind of problems, this proposal is to carry out theoretical analysis and modeling for this kind of UAVs using multi-body dynamics analysis approaches. Particularly, undertake research towards the influence mechanism on the model caused by the structure changes during the transition phases between vertical flight and level flight, develop a complete dynamic model including a precise description of this variation and corresponding control algorithms. In order to improve the dynamic feature and reduce the control difficulties existing in the current design shown in literatures, a novel aerodynamic distribution, which can decouple the attitude and airspeed control, has been proposed by this research. By means of applying the above-mentioned modeling and control approach, a practical validation using a new platform with such design to be developed based on a quad-rotor UAV developed by applicant’s group, will be undertaken.

集直升机的垂直起降与固定翼飞机的高速巡航功能于一身，具有可变结构的航空飞行器显示出其独有的优势。尽管这种设计理念近年来在微小型多旋翼无人机上也开始应用，但还没有成功的报道。从文献看，其基本原因是控制器设计没有考虑到由这种结构变化引起的飞行器动态模型结构和参数（机体惯量矩阵和质心位置）的变化。为解决这类问题，本课题旨在用多刚体动力学方法对该类飞行器进行理论分析和建模。着重研究在悬停与平飞的相互转换过程中机体结构变化对其动态模型结构的影响，建立包含精确描述这种变化的完整的动态模型,探索设计布局对动态性能的影响以及它与控制实现的关系，给出相应的控制算法。为了改善文献中现有设计的动态品质和降低其控制难度，本课题提出了一种全新的可实现姿态与速度控制解耦的多旋翼变结构无人机的空气动力学布局。在用上述方法对其建模和进行控制器设计的基础上，在课题组已成功研发的四旋翼无人机平台上开发出试验样机进行实验验证。

本课题旨在结合旋翼机优良的垂直起降与悬停功能和固定翼飞机可借助空气动力产生升力的高效能特点，对具有变结构布局的小型多旋翼无人飞行器的建模与控制问题进行研究。基于申报时所提出的结合四旋翼机的“X”形布局和由可倾斜旋翼与机翼构成的“-”形布局的总体布局，使得姿态控制与位置控制的耦合达到最小的主要研究思想，对这一系统进行了研发，完成了如下工作：（1）设计建立了系统动态模型和仿真模型。通过理论分析和仿真验证，提出了一类非线性控制算法。（2）在进行空气动力学分析和仿真的基础之上，对拟采用的可倾斜旋翼的所需推力和可倾斜机翼在巡航时所需升力进行探讨，设计和制造了试验样机，并确定了其空气动力学参数和动态模型参数。（3）开发了基于微控制器和由微型数字陀螺，加速度传感器，地磁计，GPS，声呐，气压高度计等多传感测量单元以及实时机载飞行记录模块等单元构成的自动驾驶控制系统，以及地面控制站，无线传输单元，遥控装置等。并在其上实现了提出的控制算法和传感器信号处理与滤波算法，同时开发了通讯及管理的多任务实时软件系统。（4）研制开发了包括手动控制，高度保持，自主悬停，自主着陆，自主点到点以及自主跟踪连续巡航轨迹的多种控制模式。（5）针对四旋翼和变结构飞行模式研究和实现了一类针对该系统的，可在机载自动驾驶仪上实现的实时巡航轨迹规划算法。该类算法包括了垂直起降，定点悬停模式的轨迹规划和针对自主巡航时类似于固定翼飞行器的恒速路径巡航的圆弧-直线-圆弧算法。发表学术论文4篇，其中SCI收录两篇，（1篇已被IEEE Transactions on Control System Technology接收，见附件的出版清样，）EI收录两篇。另有1篇投至国际会议（待评审），1篇投至国内学术期刊（评审中）。申请发明专利一项（目前在公开阶段）。结合本项目的研究课题，培养了1名硕士研究生和正在培养4名硕士研究生。