多旋翼无人飞行器必要建模因素

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1、2017年6月第43卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2017V01．43No．6http：,／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0481多旋翼无人飞行器必要建模因素万佳，刘洪+，王福新(上海交通大学航空航天学院，上海200240)摘要：近年来多旋翼无人飞行器(UAV)成为了小型无人飞行器发展的热门领域

2、，而学界对于多旋翼飞行器飞行力学建模与飞行力学特性分析的研究还相对较少。针对相关研究需求，基于传统旋翼模型，建立了适用于多旋翼无人飞行器的飞行力学模型，并利用此模型对多旋翼无人飞行器悬停模态特性进行了初步分析，结果显示多旋翼飞行器模态稳定性明显弱于传统直升机，且横向Phugoid模态取代了荷兰滚模态。随后利用弱耦合系统理论与纵向模态简化模型，对多旋翼建模过程中的旋翼旋转自由度(DOF)动态特性、入流模型和旋翼气动力矩的建模必要性进行了研究。分析表明，旋翼旋转自由度的动态特性在飞控增稳条件下对全机特性有着重要影

3、响，入流分布对刚性旋翼的俯仰、滚转气动力矩有着决定性作用，而旋翼气动力矩是决定多旋翼悬停模态的重要因素，这三者在多旋翼建模分析中不能忽略。关键词：旋翼飞行器；模态特性；建模；旋翼入流；系统耦合中图分类号：V212．4文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)06—1072-08多旋翼飞行器依靠多个由电机直接驱动的旋翼提供飞行所需的升力、前飞拉力与姿态控制力矩，和直升机一样能够实现垂直起降与悬停飞行。同时，由于其结构简单、成本低廉、机械可靠性高等优点，在实际工程应用中受到用户的青睐。近年来，小型多旋

4、翼飞行器成为了无人飞行器领域的热点，已广泛应用于航空摄影、电力巡线、地形测绘等多个领域，在地震救灾、警用巡逻、现代农业中也可以看到其身影。随着多旋翼无人飞行器的广泛应用，对其飞行综合性能的要求也日益提高，促使了多种新多旋翼飞行器或多旋翼一固定翼复合构型的诞生。同时，多旋翼飞行器气动效率与操稳性之间的矛盾性也逐步体现出来。为了提高多旋翼飞行器气动效率，可以采用加大旋翼直径与降低旋翼转速的设计，但工程实践表明，这会显著影响飞行器的配平能力与飞行动态品质。此外，针对多旋翼飞行器的先进导航、制导与飞控算法也逐渐成为热

5、门领域。上述发展对多旋翼飞行器的全机理论建模与分析工作提出了客观需求。目前，学界关于多旋翼飞行器详细飞行力学建模与特性分析的研究数量相对较少，有学者在研究飞控算法过程中针对飞控系统设计需求已经建立了一些多旋翼飞行力学模型‘1‘81。然而，已有模型往往较简单，目前建模工作中普遍采用的简化假设包括：①在旋翼产生的3个力分量与3个力矩分量中，只考虑了旋翼所产生的拉力与扭矩，忽略其他分量‘1一。；②假设旋翼的拉力和扭矩与旋翼转速的平方成正比，且飞行器飞行状态不会影响旋翼气动力旧。；③忽略了人流随拉力的变化与非均匀分布

6、情况¨⋯；④未考虑旋翼旋转自由度上的动态特性。收稿B期：2016-06-04；录用日期：2016-074)1；网络出版时间：2016·10-2109：56网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20161021．0956．002．html}通讯作者：E—mail：hongliu@sjtu．edu．en弓l甩格式：万佳．斛洪．i福新．多旋翼无人飞行器必要建模因素￡J】．北京航空航天大学学报，2017，43t6)：1072—1079．WANj，LIUH，WANGFX．I

7、mperativemodelingelementsformulti-rotorunmannedaena／vehicles【】]．JournalofBeijingUniver-sityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(6)：1072·1079(inChinese)．第6期万佳，等：多旋翼无人飞行器必要建模因素1073基于上述假设建立的模型可以在一定程度上反映多旋翼飞行器的特性，在一定的飞行条件下，采用这类模型是合理的。随着飞行速度的提高，旋翼气动力不仅是旋翼转速的函数，同

8、时也与来流条件紧密相关⋯’1“。单个旋翼除产生拉力与扭矩外，还会产生相对较大的水平、侧向气动力与俯仰、滚转力矩。11。”。。在来流角与旋翼俯仰、滚转力矩的作用下，根据动态人流理论¨⋯，旋翼桨盘上的诱导速度非均匀分布情况将加剧，从而对旋翼气动力造成影响。由此可见，随着用户对多旋翼飞行器飞行性能要求的不断提高，更加全面的建模分析工作显得尤为必要。与此同时，已有的模型大多直接用于飞控系统的设计或简单的飞行