微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制

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1、微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制摘要微型四旋翼飞行器是一种结构简单、机动灵活性很高、可垂直起降的无人飞行器，具有极大的军用和民用价值。由于主体尺度小、飞行速度低，微型四旋翼飞行器的飞行雷诺数较低。同时，微型四旋翼飞行器也是一个具有空间6个自由度而只有四个输入的欠驱动系统。低雷诺数下的空气动力学问题和欠驱动系统的控制问题是当今微型四旋翼飞行器研究中的难点和热点。本文针对上述两个问题对微型四旋翼飞行器建立了有限元模型和系统动力学模型，分别研究了微型四旋翼飞行器悬飞过程中的气动特性和姿态控制方法，并通过仿真试验进行了验证，本文的研究工作主要包括以下几个方面：首先根据经典力学与牛顿定律

2、，建立了微型四旋翼飞行器的系统动力学数学模型，并通过引入控制变量和忽略阻力系数对数学模型进行了简化。其次以实际搭建的微型四旋翼飞行器平台为基础，在保持主体特征下尽量简化机身模型，通过UG软件生成了微型四旋翼飞行器机身实体，并在Ansys软件中完成了流场几何模型的建立和有限元网格划分。然后基于有限元方法对微型四旋翼飞行器施加多个边界条件进行了流固耦合仿真分析，研究了低雷诺数下微型四旋翼飞行器在悬飞过程中的周围的流场分布，揭示了微型四旋翼飞行器的气动特性变化规律，此外，将流场分析得到的气动载荷加载到结构分析模块，研究了机身应力分布情况和流固耦合特性，得到机身最大应力所在位置及其振动特性

3、。最后针对飞行器竖直向上飞行模式设计了线性化的PID控制器，运用SIMULINK搭建了仿真模型，调整PID参数后的仿真结果验证了控制系统的有效性。此外，对非线性的系统动力学模型设计了Backstepping控制器，使用Backstepping方法，求出了四个通道的Backstepping控制率，通过MATLAB编写数值计算程序，运行结果表明所设计的控制器能够很好的实现定点悬停和轨迹跟踪飞行任务。关键词：微型四旋翼飞行器有限元模型流固耦合气动特性姿态控制PID反步法第一章绪论2003年爆发的伊拉克战争中，美国使用的无人飞行器有：小型侦察机器人，它可以起到延长士兵眼睛和耳朵的作用，能够

4、潜入可能对士兵不安全的区域，完成侦察任务；捕食者，该飞行器可以搜寻伊军飞毛腿导弹信息；龙眼，该飞行器体积小到可以放入士兵的背包，能够将前方视频信息传输到士兵手腕上的监视器上；影子，该飞行器可以收集空气样本，进行成分分析并将数据传输到地面的士兵。我国的微型飞行器在技术上和国外还存在较大的差距，无人飞行器是MEMS技术高水平的集成，其中的关键技术是不可能用钱买到的，落后就要挨打，挨打后短期内也不可能掌握关键技术。微型飞行器是基于MEMS传感器和驱动器技术飞速发展的必然产物，同时也是目前先进国家竞相研究的科技前沿和热点课题。微小型四旋翼飞行器具备可垂直起飞飞行器的所有优点，在现代军事和民

5、用方便都具有广阔的应用前景。军事上可应用于地面战场侦察和监视、排爆、情报获取、近距离空中支持等方面；民用上可以用于航拍、自然灾害之后的搜救、高压线、水坝的检查等。因此，开展微型四旋翼飞行器的研究具有重大意义。本文针对微型四旋翼飞行器主要做了以下几个方面的工作：一是对低雷诺数下的微型四旋翼飞行器在飞行过程中的流场进行了数值模拟；二是对微型四旋翼飞行器的姿态控制设计了PID控制和Backstepping控制器并进行了仿真实验。全文各章内容安排如下：第一章绪论部分概述了微型飞行器的三种飞行方式和四旋翼MAV的独特优势，介绍了四旋翼飞行器的发展历史，研究现状和发展前景，同时也阐述了研究中的

6、关键问题。第二章首先介绍了微型四旋翼飞行器的结构和飞行原理，建立了流场分析中流固耦合控制方程和飞行器悬停飞行时的动力学模型。为第三章的微型四旋翼飞行器流固耦合分析和第四章的微型四旋翼飞行器姿态控制提供数学模型。第三章采用有限元方法研究了微型四旋翼飞行器的气动特性和振动特性，建立了微型四旋翼飞行器稳定飞行时的三维流场物理模型，采用有限体积法对多个边界条件进行数值计算和分析，研究了微型四旋翼飞行器在悬飞过程中的流场分布，此外，将气动载荷加载到结构分析模块，研究了机身应力分布情况和流固耦合特性。第四章研究了微型四旋翼飞行器的姿态控制方法，对第二章推导得到的系统动力学模型设计了经典的PID

7、控制器和Backstepping控制器，并对所设计的控制器进行了仿真分析。第五章对全文内容进行总结，并对后续工作进行了展望。第二章四旋翼飞行器飞行原理与数学建模2.1引言准确的模型是四旋翼飞行器研究、设计、仿真试验的基础，因此，对微型四旋翼飞行器建立合理的、精度适当的数值模型具有非常重要的意义。对于四旋翼飞行器来说，对它的旋翼的动力学特性进行分析是建立准确数学模型的关键。四旋翼飞行器的气动环境比固定翼飞行器要复杂得多，本质上气动力是非定常和非线性的，要建立其准确的数学