倾转旋翼无人机飞行控制研究

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1、倾转旋翼无人机飞行控制研究许长春2015年12月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540倾转旋翼无人机飞行控制研究作者姓名许长春学院名称宇航学院指导教师孟秀云教授答辩委员会主席单家元教授申请学位工学硕士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月ResearchonFlightControlofTilt-RotorUAVCandidateName：ChangchunXuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.XiuyunMengChair,Thes

2、isCommittee：Prof.JiayuanShanDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：AerospaceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对

3、此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要倾转旋翼无人机是一种新型的无人机，它具有固定翼飞机和直升机的飞行特点。直升机模式时由旋翼提供升力，可进行悬停和低速飞行；旋翼短舱倾转到水平位置后，旋翼提供前向拉力而依靠机翼提供升力，变成固定翼飞机以实现高速飞行。本文以倾转旋翼无人机为研究对象，将通过建立无人机飞行力学模型研究其在直升机模式、过渡模式、固定翼模式的飞行动力学特性，在此基础上进行控制系统设计并进行数学仿真研究。具体的完成的工作如下：（1）采用部件法分别研究了飞行器各部件的气动力、力矩计算模型，并考虑

4、了旋翼-机翼的气动干扰，建立了倾转旋翼无人机飞行力学模型，在Matlab/Simulink环境下建立了无人机运动仿真模型，用于配平分析和控制系统仿真。（2）分析了倾转旋翼无人机的运动特性，包括静态配平特性和动态扰动运动特性。分别研究了无人机在直升机模式、过渡模式、固定翼模式下平飞时的静态纵向配平，分析其飞行操纵规律，并基于此探讨了倾转旋翼无人机的过渡转换路径。对倾转旋翼无人机的旋翼和舵面两套操纵系统在过渡转换过程中的操纵效率进行了分析，设计了操纵策略。在过渡飞行过程中选取了若干特征点，在特征点处基于小扰动假设，建立了线性化状态方程，使用特征根分析等手段，分别研究无人机在倾转过渡

5、过程中的扰动运动特性。（3）设计了倾转旋翼无人机飞行控制系统，纵向通道包括俯仰角保持与控制系统、速度控制系统、垂直速度控制系统、高度保持与控制系统，横向通道包括滚转角控制系统、侧滑角控制系统、航向控制系统。控制系统结构和回路参数设计方法采用基于经典控制理论的根轨迹分析、频域响应分析等手段。（4）在Matlab/Simulink仿真环境下，进行了六自由度运动方程的数值仿真，在阵风干扰下进行姿态控制与保持、爬升飞行、高度保持、加速飞行、航向变换等，检验建立的数学模型及所设计的控制器的合理性。关键词：倾转旋翼；飞行力学；飞行控制；Simulink仿真；I北京理工大学硕士学位论文Abs

6、tractTilt-rotorUAVisanewtypeofunmannedaerialvehicle.Ithasbothflightcharacteristicsofhelicopterandfixedwingaircraft.Whentilt-rotorUAVfliesinhelicoptermode,tworotorsprovidemainlift,sothearicraftcanhoverorflyatlowspeed.Afterrotornacellestilttohorizontalpositionandprovideforwardforce,theaircraft

7、becomesairplaneathighspeed,withliftprovidedbywings.Thisthesisaimsatstudyingtheflightdynamicscharacteristicsoftilt-rotoruavinhelicoptermode,transitionmodeandfixedwingmode,throughestablishingamathematicmodeloftilt-rotoruav,thendesigningflightcontrols