单翼损坏下的四旋翼飞行控制器设计

针对发生单翼损坏故障时四旋翼飞行器的常规控制失效问题,用反步法设计保证飞行器安全和一般飞行控制的控制器.根据单翼损坏下四旋翼飞行器的旋转与平移运动方程,将控制器划分成内、外环,使用反步法设计这两个环路.内环控制飞行器姿态,外环控制飞行器位置.用反步法设计此种控制器时牺牲飞行器的偏航控制能力,但能实现飞行器一定程度的正常飞行.即能实现飞行器以恒定速度绕其垂直轴转动,机体保持水平同时空间位置不变的近悬停状态,也能通过指令信号实现飞行控制和位置跟踪.经过仿真验证,证实了该控制器对单翼损坏故障下的四旋翼飞行器的飞行控制的有效性,飞行器的稳定性能良好.结果表明,偏航控制能力的丧失不会对四旋翼的安全造成威胁,也不会对飞行器的轨迹跟踪造成较大影响,即保证飞行器能在以恒定速度绕垂直轴转动的情况下进行稳定飞行,同时还能以较快速度跟踪简单的期望轨迹.该研究证实了单翼损坏下的四旋翼飞行器的飞行仍具有可控性.     

转捩过程对旋翼悬停模拟的影响分析与研究

悬停状态是考察旋翼整体气动性能的重要状态之一。随着计算机技术及CFD技术的发展,基于“第一性原理”的数值模拟方法越来越多地被用于评估旋翼悬停性能。在使用基于RANS方程的数值模拟方法进行固定翼飞行器定常计算时,流动转捩现象对某些特定状态下流场及气动特性会产生巨大影响,因此在进行固定翼设计时要考虑流动转捩现象。然而转捩过程是否同样会影响旋翼非定常气动流场及气动特性,国内研究较少,因此有必要研究转捩过程对旋翼流场数值模拟的影响,为旋翼类飞行器的设计及评估提供参考。采用美国航空航天学会旋翼悬停工作组提出的PSP旋翼标模,利用结构化动态嵌套网格技术,在大拉力悬停和小拉力悬停状态下,分别进行全湍流模拟和转捩模拟计算并与试验结果进行了对比。对比结果显示,文中所采用的数值求解器对旋翼悬停效率的计算误差在5%之内。在考虑流动转捩后,由于桨叶表面存在层流区域,计算所得旋翼悬停效率高于全湍流假设下的预测值,而桨叶表面的层流区域与旋翼拉力大小有关。在流动转捩发生的区域,转捩过程会对桨叶截面压力分布以及桨叶展向扭矩分布产生明显影响,同时桨叶表面出现明显的流动分离现象。对于桨叶展向拉力分布和桨盘下方旋翼尾迹桨尖...     

共轴双旋翼悬停地面效应分析

共轴双旋翼直升机在近地悬停时存在复杂的旋翼/旋翼/地面干扰效应.为分析近地悬停时共轴双旋翼流场及拉力变化,发展一种共轴双旋翼悬停地面效应计算方法.首先,分别采用升力面法和面元法模拟桨叶和地面对流场的作用,使用三阶精度时间步进格式进行桨叶尾迹计算,并在尾迹迭代过程中引入"等体积"法修正尾迹.然后,运用模型得到共轴双旋翼无地效的诱导速度分布和单旋翼地面效应下的拉力增益并与试验结果对比,验证方法的合理性.最后,基于算例,分析了共轴双旋翼在地面效应悬停状态下的特性,包括尾迹及流场特点、诱导速度与拉力分布、旋翼间干扰和拉力增益.结果表明:悬停地面效应下共轴双旋翼的尾迹发生卷起并径向扩展,其桨盘平面的诱导速度由上旋翼、下旋翼和地面共同引起;分析也表明了悬停地面效应下共轴双旋翼桨盘平面诱导速度及桨叶拉力分布更均匀,在相同功率下,共轴双旋翼的地面效应拉力增益大于同实度单旋翼的拉力增益.     

四旋翼无人机增稳混合控制器设计

为了改善四旋翼无人直升机在不同环境下的飞行稳定性,应用混合控制的方法设计了无人机增稳混合控制器．它有多个PID控制器可供选择,并根据无人机飞行高度和倾角大小选择当前合适的控制器,有效的降低了无人飞行器的坠毁机率和其他潜在危险的发生．并且通过Matlab中的Simulink工具箱搭建仿真系统,模拟了四旋翼无人机在起降、无风、有风和失控的情况下的控制器切换过程．仿真结果表明:应用混合控制器的四旋翼无人机在起降和有风情况下可有效抑制飞行器倾斜和水平漂移,提高稳定性．     

不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析

为研究悬停状态下不同旋翼间距对微型四旋翼无人机旋翼气动性的动态影响,进行数值模拟。运用滑移网格法计算并分析相同转速、不同旋翼间距下的四旋翼升力和扭矩的变化规律,以及旋翼流场和压强分布规律,结果表明：微型四旋翼无人机旋翼间存在气动干扰,合理的旋翼间距有助于提升四旋翼整体气动性能。通过试验和仿真对比发现旋翼间距2.8D(D=76.2 mm)是最佳的微型四旋翼无人机旋翼间距方案。     

基于STM32的四旋翼飞行机器人旋翼升力系数测定

介绍一种利用光电传感器、STM32单片机以及电子秤测定四旋翼无人飞行机器人旋翼升力系数的方法.该方法主要利用杠杆原理测量旋翼的升力.光电传感器当检测到旋翼的时候就会触发STM32相应的中断,从而计数测量旋翼的转速,最后通过得到的升力和旋翼的转速测得旋翼的升力系数.实验证明:该系统结构简单,成本低廉,测量准确,适用于航模以及各类微小型飞行器旋翼升力系数的测定.     

旋翼模型悬停状态桨尖涡特性

直升机旋翼桨尖涡特性研究是直升机旋翼气动特性研究的关键要素,为提高对旋翼悬停状态桨尖涡特性的认识以及准确掌握其流动机理,利用Bo-105旋翼模型在Φ5 m立式风洞开口试验段进行了桨尖马赫数相似情况下的悬停试验,并采用TR-PIV流场测量系统对旋翼悬停状态下不同总距时的流场进行了精细化测量,得到了该副旋翼32帧/圈的详细流场图像,并运用更为合理的涡核中心判定、涡核流动数据提取以及涡核模型拟合方法对试验结果进行了精细化处理与分析,进一步揭示了旋翼模型悬停状态下桨尖涡的演化发展过程.研究表明:高速PIV设备能准确捕捉旋翼悬停状态下的流场运动特征,有助于旋翼流场的精细化研究;采用涡量加权平均的方法来计算涡核中心位置可以消除涡核中心平移速度的影响,进而更加准确地定位涡核中心;采用环量分析的方法可以更加可靠地确定涡核尺寸和最大诱导速度,且分析结果显示随涡龄角的增加,涡核半径缓慢增大、涡核最大诱导速度缓慢减小;在桨尖涡发展演化过程中,不同发展阶段具有不同的涡核模型n参数.     

四旋翼微型飞行器设计

针对常规无人飞行器尺寸较大,无法适用于室内狭小空间飞行的问题,设计了一种四旋翼微型飞行器.建立了微型飞行器的动力学模型,介绍了组成飞行器的相关硬件.构建了由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的姿态测量系统,给出了姿态解算的具体步骤.使用了互补滤波器对陀螺测量误差进行矫正,并给出了互补滤波器融合系数的确定方法.采用基于欧拉角反馈的PID控制器进行姿态控制,无需建立复杂的控制系统模型.该飞行器最大尺寸15 cm,重量22g,可垂直起降和悬停,适用于狭小空间的侦察任务.     

一种新型多旋翼飞行器的建模与反演控制

针对目前多旋翼飞行器存在的不足之处,提出一种外形布局新颖、内部结构简洁、具有硬件冗余且易于工程实现的新型多旋翼飞行器,并提出一种反演控制策略.首先,给出了飞行器的运动学模型和动力学模型,随后,设计了飞行器的姿态和位置控制器.其中,姿态控制器设计中将一阶滤波器和线性跟踪微分器用于其中,以实现系统对控制指令的快速响应;位置控制器用于解算跟踪期望轨迹所需要的姿态角信息.最后,通过仿真验证实验,验证了本文所提控制策略的正确性.     

对四轴飞行器的控制算法的分析与仿真

四轴无人飞行器通过四个旋翼联合驱动实现垂直起降、滚转俯仰等姿态变换,根据机体坐标系和地面坐标系,推导转换矩阵,对系统进行控制输入并得到飞行器的非线性状态模型;基于PID控制算法原理设计一种双闭环PD控制器,在Matlab中进行姿态响应实验,给出位置和姿态角的响应波形,分析算法性能,最终验证设计的可行性。     

差分进化算法在四旋翼飞行姿态中的应用

无人机技术现已被运用到军事、农业等越来越多的领域。在大多数四旋翼飞行器上仍采用PID控制算法,但其参数的调节要依赖精确的运动学模型,且调节时间较长。针对PID控制器调节时间慢,精度差的问题。采用了一种改进的PID控制器的方法来提高四旋翼飞行器的调整速度和稳定性。研究了基于差分进化算法的PID控制器的系统模型,相比于基于Ziegler-Nichols调参方法的PID控制器,系统的上升时间提高了36%。并通过matlab仿真,结果表明运用差分进化算法对四旋翼无人机的姿态进行调整,不仅能够提高四旋翼无人机的稳定性,还能提高四旋翼无人机姿态调整的速度。     

基于非线性模型预测的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪控制器跟踪性能不稳定的问题,提出一种基于非线性模型预测控制(nolinear model predict control, NMPC)的轨迹跟踪算法。首先,建立四旋翼无人机的动力学模型,定义四旋翼无人机的位置和姿态为状态量,螺旋桨转速为控制输入量,建立非线性状态空间方程作为控制算法的预测模型。其次,定义最优化函数和四旋翼无人机控制约束,将轨迹跟踪控制问题转换为非线性最优化求解问题。最后,通过多重打靶法求解得到的最优控制量作为四旋翼无人机的输入信号。为验证NMPC算法的跟踪性能,在Matlab中搭建仿真平台进行对比实验,结果表明,与PID和串级模型预测控制(model predict control, MPC)及改进MPC方法相比,NMPC算法能够在满足约束的情况下完成轨迹跟踪任务,误差小、精度高,并具有抗干扰能力。     

四旋翼飞行器的姿态解算及控制实现

针对四旋翼飞行器的姿态控制问题,首先结合四元数及互补滤波法给出姿态解算及数据更新算法;其次采用PID控制算法对姿态进行稳定控制;最后通过上位机观察数据得出控制效果曲线并在实物实验平台上基础上进行了实际飞行验证算法的可行性.实验结果表明:四元数互补滤波算法能实现稳定高精度的姿态解算;PID控制器可以有效的完成飞行器的自稳控制且能有效的校正外界扰动造成的角偏移量,满足四旋翼飞行器的控制要求.     

基于模型参考自适应的四旋翼飞行器反步控制

针对四旋翼飞行器易受干扰的问题,本文提出了一种基于模型参考自适应的反步控制方法,在外界气流干扰和内部参数不确定的情况下,保证四旋翼飞行器稳定平滑地跟踪参考信号。将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为水平位置控制子系统与高度和姿态控制子系统,并对两个子系统分别设计反步控制器,然后在高度和姿态控制子系统应用模型参考自适应控制,提高该子系统的抗干扰性能,从而进一步改善水平位置控制性能,同时采用Lyapunov稳定性理论,证明整个闭环系统渐近稳定。仿真结果表明,该算法能够有效抑制外界气流干扰,对负载不确定性具有较强的自适应能力,有效提高系统的稳定性和抗干扰性能。该研究具有一定的理论和实际应用价值。     

四旋翼无人飞行器控制律设计与仿真

四旋翼无人飞行器已经得到了广泛应用,其控制律设计的重要性日渐凸显。在构建四旋翼飞行器六自由度动力学模型的基础上,分别设计了基于PID控制和线性自抗扰两套控制律。首先给出基于PID控制的四旋翼控制律,对四旋翼的各个通道设计PID控制律,并进行六自由度仿真分析,随后给出基于线性自抗扰控制的四旋翼控制律,针对每个通道设计自抗扰控制回路,进行六自由度仿真分析,基于仿真结果对两者的控制效果进行对比,最终结果表明自抗扰控制方法可以有效地抑制超调且响应速度更快。     

基于PWM的四旋翼飞行器控制方法

为实现四旋翼飞行器稳定可靠性飞行控制,提出了以ATMEL公司AVR微控制器为核心IC（IntergratedCircuit）的MCU（MicroControlUnit）四旋翼飞行器控制系统。该系统由以无刷直流电机为动力核心的动力驱动系统、以微控制器及陀螺仪为核心的核心控制系统、以2．4GHz的无线遥控接收器为核心的无线遥控控制系统组成。采用脉冲宽度调制（PWM：PulseWidthModulation）信号控制四旋翼控制动力驱动模块。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究,得到相应的控制算法,然后编程实现、模拟相应的飞行姿态。实验结果表明,四旋翼飞行器能稳定悬停、转向和三维控制。     

四旋翼无人飞行器反步法的控制

四旋翼无人飞行器是一种典型的六自由度的非线性、强耦合、欠驱动系统.针对四旋翼无人飞行器QballX4受控模型的复杂非线性问题,从实际应用的角度出发,提出了一种在定点悬停情况下忽略偏航角变化的模型简化方法,有效地解决了内外环约束条件的求解问题,并基于此模型设计了一种基于反步法的渐近稳定控制器.仿真结果表明:所设计的控制器能有效地实现定点飞行,同时,也验证了所建立的简化模型的合理性.     

四旋翼飞行器设计

本设计是基于刑S320F28027单片机的四旋翼自主飞行器,包括硬件电路的设计,描述了硬件电路中元器件的选型,也包含基于四元数的姿态解算,详细讲述了四元数如何作用在解算过程中。     

基于双目视觉的无人机定位与控制系统

设计实现了一个基于双目视觉的无人机定位与控制系统.系统由四旋翼飞行器、两个Wii Remote传感器、Kinect传感器、凌动处理器等构成.飞行器采用STM32F401为主控,辅以六轴速度和加速度传感器以及超声波传感器实现姿态和高度控制.利用两个Wii Remote传感器以双目视觉的原理即可实现飞行器的三维定位与追踪.Kinect传感器实现对手势姿态的识别.在Intel凌动处理器平台上利用2.4G无线数传与飞行器通信,并利用PID控制器以增强飞行器的鲁棒性.该系统实现了在室内没有GPS信号的情况下对飞行器的精确定位,以及基于手势姿态识别的对四旋翼的智能控制.     

升力风扇垂直起降飞机过渡态总体参数分析

升力风扇垂直起降飞机属于一种特殊的固定翼飞行器,兼有直升机式的悬停状态、固定翼状态,以及特殊的过渡状态。在这三种状态下,两套升力部件(直接升力部件和气动升力部件)只共用一套动力源,使得动力源工作状态差异很大,导致各总体参数之间的匹配关系与常规固定翼飞机甚为不同。为此,基于螺旋桨动量理论推导了升力风扇垂直起降飞机全机升阻、功率特性的估算模型;并针对整个过渡过程,分析了各总体参数对过渡态功率、阻力特性的影响,进而得到各总体参数的合理匹配方法以满足减小"富余功率"和节省过渡阶段的燃油消耗量的设计要求,提高巡航经济性。所研究的成果能为升力风扇垂直起降飞机概念设计提供有效地指导原则。