非平面式多旋翼系统气动布局优化及可修正补偿的控制方法研究

Non-planar MFRs (Multi-rotor Flying Robots) are emerged with a compact configuration and large lift to meet the design requirement. Size restrictions force MFRs to operate in a low Reynolds number (Re) aerodynamic regime where aerodynamic interference is dominant, which means the traditional method is not appropriate anymore. Current studies are just getting to focus on the hover performance of rotor pairs and how the rotor arrangement can be traded with propulsive efficiency. This study explores the design issues mentioned above through both experiments and numerical analysis. Compared with the classic rotor arrangement, a new non-planar rotor pair and an aerodynamic model are introduced to understand the effect of the interference on the parameters on the aerodynamic performance. In addition, an interference factor is applied to modify the accuracy of the flight control according to the changing of the flow field. Overall, useful conclusions are provided for the further aerodynamic analysis and control strategy to refine the design of future prototype configurations and meet design requirements. Furthermore, compared with the conventional rotor configuration, the non-planar rotor pair mentioned in this study shows a high significance both in theory and application.

非平面式多旋翼不仅让飞行器布局更加紧凑，还可提高旋翼载荷和控制机动性，但由于旋翼间气动干扰愈加明显，需要权衡飞行品质和气动干扰之间的关系，这就使得传统气动分析方法跟不上旋翼气动布局的多样化。如何定性分析气动干扰对旋翼气动性能的影响并确定旋翼系统最佳气动布局开始成为目前多旋翼飞行器研究的热点问题。针对这些问题，本项研究拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，以新型非平面旋翼系统为研究对象，对比经典旋翼布局将相邻旋翼作为研究单元系统来分析多旋翼系统的升阻力产生机制，建立旋翼系统的空气动力学模型；通过不同气动参数条件下的动力学特性得到各旋翼系统的最佳气动布局；最后根据旋翼间流场的变化规律，引入干扰因子对旋翼转速控制模型进行修正补偿来提高飞行品质。同时，非平面旋翼单元的研究从空气动力学角度出发扩展了旋翼飞行器控制方法的研究思路，这将为旋翼式飞行器的实用化提供可借鉴的理论指导和试验依据。

新型非平面式多旋翼飞行器布局紧凑有利于飞行器小型化设计，且整机承载大大提高并实现了姿态和运动间的解耦，即飞行器的六个自由度可以独立控制。但由于旋翼间气动干扰愈加明显，需要权衡飞行效率和气动干扰之间的关系。通过定性分析气动干扰对旋翼气动性能的影响，本项研究建立了多旋翼系统气动布局优化评估方法，结合数值模拟和实验分析其主要结论如下：1)理论推导方面，提出了表征非平面旋翼单元气动性能变化的拉力干扰因子kt和功率干扰因子kp可用于后续飞控动力学模型修正。2）数值模拟方面，得到了相交干扰重叠区域下非平面旋翼单元的流线、压力和速度分布，仿真结果表明额定转速下随着角度的增加，使得入流变大、相交干扰面积增加，面对面双旋翼单元使得旋翼上方的入流增加，较无倾角配置的平面式双旋翼单元具有更大气动力；3）实验方面，非平面旋翼单元的气动布局以大的倾转角度配合小的翼间距或者小的倾转角度配合大的翼间距可以获得比平面式配置较好的气动特性。考虑到自然来流的影响，非平面双旋翼单元的最佳气动布局为(1.2-20°)，且面对面状态显示出了良好的抗风扰能力。基于上述研究成果，共发表或录用论文16篇（其中SCI收录6篇，EI收录3篇），授权专利14项，处于实质审查的发明专利11项。