变距四旋翼的姿态控制与航迹规划

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1、中图分类号：V219论文编号：102870118-SZ060学科分类号：085232硕士学位论文变距四旋翼的姿态控制与航迹规划研究生姓名赵启兵专业类别工程硕士专业领域航空工程指导教师刘勇南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAeronauticsandAstronauticsAttitudecontrolandtrajectoryoptimizationofvariable-pitchquadrotorAThesisi

2、nAeronauticalEngineeringbyZhaoQibingAdvisedbyAssociateProf.LiuYongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApril,2018承诺书本人声明所呈交的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

3、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四旋翼飞行器具有结构简单、悬停性能良好、操控性好等突出特点，是目前无人机领域的热门。与微小型的娱乐无人机不同，工业级多旋翼无人机广泛采用了变桨距变转速控制技术，具有更好的气动效率和续航能力。本文针对物流运输应用模式，开展变距变转速控制与航迹规划研究，对于工业级多旋翼无人机应用具有重要的实用价值。首先，本文以课题组制作的50公斤变距四旋翼试验样机为研究对象，利用叶素和滑流理论相结合建立

4、了旋翼气动性能与功率特性分析方法，以此为基础发展了变距四旋翼飞行动力学模型；并对旋翼性能进行了实验测量与计算对比研究，提高了模型的可靠性。然后，基于PID控制方法，设计了无人机的姿态控制、位置控制环路，在MatlabSimulink环境中搭建仿真模型，并实现Matlab与Flightgear联合仿真。最后，以无人机物流配送为应用场景，通过蚁群算法建立了全局路径规划方法，获得了最优的配送顺序；然后利用微分平坦理论引入动力学约束条件，以最小耗能与耗时为目标，筛选出可实际飞行的方案；最后基于栅格法建立了局部动态规划方法，赋予无人机实时避障等能力。关键词：变距四旋翼，轨迹规划，

5、微分平坦，路径规划，蚁群算法，可控度I变距四旋翼的姿态控制与航迹规划ABSTRACTQuadrotor,whichhassimplestructure,goodhoverperformance,goodhandlingandothersalientfeatures,iscurrentlythehotareaofUAV.UnlikeminiatureUAVs,industrial-grademulti-rotorUAVsmakeextensiveuseofvariable-pitchandvariable-speedcontroltoprovidebetteraerody

6、namicefficiencyandlongerbatterylife.Inthispaper,aimedontheapplicationoflogisticsandtransportmode,variablepitchandvariablespeedcontrolandtrackplanningresearcharecarriedout.Ithasimportantpracticalvalueforapplicationsofindustrialmulti-rotorUAV.Firstofall,50kgvariable-pitchfour-rotortestprot

7、otypemadebytheresearchgroupistakenastheresearchobjectinthispaper.Theaerodynamicperformanceandpowercharacteristicsoftherotorwereanalyzedbyusingthecombinationofthebladeelementandtheslipstreamtheory.Basedonthis,theflightdynamicsmodeloftherotorwasdeveloped.Therotorperformance