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1、微型四旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)控制摘要微型四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活性很高、可垂直起降的無(wú)人飛行器，具有極大的軍用和民用價(jià)值。由于主體尺度小、飛行速度低，微型四旋翼飛行器的飛行雷諾數(shù)較低。同時(shí)，微型四旋翼飛行器也是一個(gè)具有空間6個(gè)自由度而只有四個(gè)輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。低雷諾數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制問(wèn)題是當(dāng)今微型四旋翼飛行器研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題對(duì)微型四旋翼飛行器建立了有限元模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分別研究了微型四旋翼飛行器懸飛過(guò)程中的氣動(dòng)特性和姿態(tài)控制方法，并通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，本文的研究工作主
2、要包括以下幾個(gè)方面：首先根據(jù)經(jīng)典力學(xué)與牛頓定律，建立了微型四旋翼飛行器的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)引入控制變量和忽略阻力系數(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。其次以實(shí)際搭建的微型四旋翼飛行器平臺(tái)為基礎(chǔ)，在保持主體特征下盡量簡(jiǎn)化機(jī)身模型，通過(guò)UG軟件生成了微型四旋翼飛行器機(jī)身實(shí)體，并在Ansys軟件中完成了流場(chǎng)幾何模型的建立和有限元網(wǎng)格劃分。然后基于有限元方法對(duì)微型四旋翼飛行器施加多個(gè)邊界條件進(jìn)行了流固耦合仿真分析，研究了低雷諾數(shù)下微型四旋翼飛行器在懸飛過(guò)程中的周?chē)牧鲌?chǎng)分布，揭示了微型四旋翼飛行器的氣動(dòng)特性變化規(guī)律，此外，將流場(chǎng)分析得到的氣動(dòng)載荷加
3、載到結(jié)構(gòu)分析模塊，研究了機(jī)身應(yīng)力分布情況和流固耦合特性，得到機(jī)身最大應(yīng)力所在位置及其振動(dòng)特性。最后針對(duì)飛行器豎直向上飛行模式設(shè)計(jì)了線性化的PID控制器，運(yùn)用SIMULINK搭建了仿真模型，調(diào)整PID參數(shù)后的仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。此外，對(duì)非線性的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了Backstepping控制器，使用Backstepping方法，求出了四個(gè)通道的Backstepping控制率，通過(guò)MATLAB編寫(xiě)數(shù)值計(jì)算程序，運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器能夠很好的實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停和軌跡跟蹤飛行任務(wù)。關(guān)鍵詞：微型四旋翼飛行器有限元模型流固耦合氣動(dòng)特性姿
4、態(tài)控制PID反步法第一章緒論2003年爆發(fā)的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)使用的無(wú)人飛行器有：小型偵察機(jī)器人，它可以起到延長(zhǎng)士兵眼睛和耳朵的作用，能夠潛入可能對(duì)士兵不安全的區(qū)域，完成偵察任務(wù)；捕食者，該飛行器可以搜尋伊軍飛毛腿導(dǎo)彈信息；龍眼，該飛行器體積小到可以放入士兵的背包，能夠?qū)⑶胺揭曨l信息傳輸?shù)绞勘滞笊系谋O(jiān)視器上；影子，該飛行器可以收集空氣樣本，進(jìn)行成分分析并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴氖勘Ｎ覈?guó)的微型飛行器在技術(shù)上和國(guó)外還存在較大的差距，無(wú)人飛行器是MEMS技術(shù)高水平的集成，其中的關(guān)鍵技術(shù)是不可能用錢(qián)買(mǎi)到的，落后就要挨打，挨打后短期內(nèi)也不可能掌握關(guān)
5、鍵技術(shù)。微型飛行器是基于MEMS傳感器和驅(qū)動(dòng)器技術(shù)飛速發(fā)展的必然產(chǎn)物，同時(shí)也是目前先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相研究的科技前沿和熱點(diǎn)課題。微小型四旋翼飛行器具備可垂直起飛飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代軍事和民用方便都具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事上可應(yīng)用于地面戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視、排爆、情報(bào)獲取、近距離空中支持等方面；民用上可以用于航拍、自然災(zāi)害之后的搜救、高壓線、水壩的檢查等。因此，開(kāi)展微型四旋翼飛行器的研究具有重大意義。本文針對(duì)微型四旋翼飛行器主要做了以下幾個(gè)方面的工作：一是對(duì)低雷諾數(shù)下的微型四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；二是對(duì)微型四旋翼飛行器的姿態(tài)控
6、制設(shè)計(jì)了PID控制和Backstepping控制器并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。全文各章內(nèi)容安排如下：第一章緒論部分概述了微型飛行器的三種飛行方式和四旋翼MAV的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，介紹了四旋翼飛行器的發(fā)展歷史，研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，同時(shí)也闡述了研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。第二章首先介紹了微型四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)和飛行原理，建立了流場(chǎng)分析中流固耦合控制方程和飛行器懸停飛行時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。為第三章的微型四旋翼飛行器流固耦合分析和第四章的微型四旋翼飛行器姿態(tài)控制提供數(shù)學(xué)模型。第三章采用有限元方法研究了微型四旋翼飛行器的氣動(dòng)特性和振動(dòng)特性，建立了微型四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行時(shí)的三維
7、流場(chǎng)物理模型，采用有限體積法對(duì)多個(gè)邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，研究了微型四旋翼飛行器在懸飛過(guò)程中的流場(chǎng)分布，此外，將氣動(dòng)載荷加載到結(jié)構(gòu)分析模塊，研究了機(jī)身應(yīng)力分布情況和流固耦合特性。第四章研究了微型四旋翼飛行器的姿態(tài)控制方法，對(duì)第二章推導(dǎo)得到的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了經(jīng)典的PID控制器和Backstepping控制器，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真分析。第五章對(duì)全文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行了展望。第二章四旋翼飛行器飛行原理與數(shù)學(xué)建模2.1引言準(zhǔn)確的模型是四旋翼飛行器研究、設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此，對(duì)微型四旋翼飛行器建立合理的、精度適當(dāng)
8、的數(shù)值模型具有非常重要的意義。對(duì)于四旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，對(duì)它的旋翼的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析是建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。四旋翼飛行器的氣動(dòng)環(huán)境比固定翼飛行器要復(fù)雜得多，本質(zhì)上氣動(dòng)力是非定常和非線性的，要建立其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)
