小型倾转四旋翼无人机飞行控制研究

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1、中图分类号：TP273/TP277论文编号：102870318-SX197学科分类号：081105硕士学位论文小型倾转四旋翼无人机飞行控制研究研究生姓名沈杨杨学科、专业导航、制导与控制研究方向先进飞行控制指导教师杨忠教授许锋副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年一月课题资助基金：国家自然科学基金项目，批准号：61473144；航空科学基金（重点实验室类），编号：20162852031；国家重点研发计划，编号：2016YFF0103702，所属专项：重大科学仪器设备开发。NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduat

2、eSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonFlightControlofaSmallScaleQuadTilt-RotorAThesisinNavigation,GuidanceandControlbyShenYangyangAdvisedbyProf.YangZhong&XuFengSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得

3、的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要为解决常规四旋翼无人机前飞速度慢、续航时间短，固定翼飞行器无法垂直起降和悬停的不足，本课题主要研究并设计了一种串列翼布局，兼具固定翼无人机和多旋翼无人机飞行优点的小型倾转四旋翼QTR无人机，具体的研究内容主要总结

4、为如下几个方面：设计了QTR无人机的三维模型并制作了相应的物理原型机。通过Profili软件确定了QTR无人机适合采用的翼型，并得出了其不同攻角下的升阻系数。随后利用ANSYS流体分析软件对基于NACA0009翼型的串列翼布局进行了气动分析，确定了整体的气动构型，并基于Catia设计了精确的QTR无人机三维模型，加工制作了QTR物理原型机并进行分析。研究了小型倾转四旋翼无人机QTR的工作原理及其动力学和运动学模型。根据所设计QTR无人机的执行机构特性，分析了其各类位姿运动实现的方法。通过对QTR无人机对象模型的气动特性、动力学特性等的分析，选取了合适的坐标系及状态量对QTR无人机进行了动力

5、学和运动学建模，为其控制奠定了基础。设计了QTR无人机姿态和位置跟踪的控制律及倾转过渡阶段的控制策略。基于所建立的QTR动力学和运动学模型给出了控制系统的总体结构；其次研究了鲁棒伺服线性二次型最优控制理论的相关内容，并分别基于鲁棒伺服线性二次型最优控制理论和PID设计了姿态环和位置环的控制律；最后针对QTR飞行过程中的倾转过渡阶段设计了控制策略。对所设计控制律及物理原型机进行了实验验证。为了获得更为直观的仿真效果，基于多平台飞行模拟器FlightGear软件进行了Matlab和FlightGear的联合仿真，实现了仿真实验的可视化。最后，通过相关试验对QTR原型机进行了验证。关键词：倾转旋

6、翼，无人机，原型机，鲁棒伺服线性二次型调节器，可视化仿真I小型倾转四旋翼无人机飞行控制研究ABSTRACTSincetheconventionalquadrotorunmannedaerialvehicle(UAV)islimitedbytheslowflightspeed,shortbatterylifeandfixedwingaircraftcannotverticaltakeoffandlanding(VTOL)andhover,asmallquadtiltrotor(QTR)UAVwasdesignedinthisstudy.ThisQTRistandemwinglayout,wh

7、ichhastheadvantagesoffixedwingandmultirotorUAV.Themainresearchcontentsofthisstudyaresummarizedasfollows:The3DmodelofQTRisdesignedandthecorrespondingphysicalprototypeisdesigned.ThesuitableairfoilforQTRisdetermined