涵道风扇无人机增稳控制律设计与仿真

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1、第43卷第5期2013年9月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．43No．5Sep．2013涵道风扇无人机增稳控制律设计与仿真沈广琛，张怡哲，王云，李国俊(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：针对小型涵道风扇无人机本体不稳定特性，设计增稳控制律并通过仿真进行了验证。利用软件CATIA建立三维模型，并制作出实体模型。对模型进行受力分析，建立涵道风扇无人机六自由度动力学模型。在所建模型基础上，设计增稳控制律，包括姿态控制律及轨迹控制律。建立非线性仿真模型，通过Matlab／Simulink仿真对所设计的控制律有效性进行了验证。仿真结果表明，

2、所设计的控制律达到了增加涵道风扇无人机稳定性的目的。关键词：涵道风扇无人机；动力学建模；增稳控制律；Matlab／Simulink中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1671．654X(2013)05．0070．04DesignandSimulationofCASforaDucted—FanUAVSHENGuang-chen，ZHANGYi—zhe，WANGYun，LIGuo—jun(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUnivemi耖，Xi’肌710072，China)Abstract：Aimingattheinstability

3、ofasmallscaleducted-fanUAV，CASisdesignedandtestedthroughsimulation．Firstandforemost，athree—dimensionalmodelisestablishedwiththethree—dimensionalmod—elingsoftwareCATIA．Thephysicalmodelhasalsobeenbuilt．TheforcesandmomentsoftheUAVareanalyzedandthe6一DdynamicmodelofductedfanUAVisestablished．Basedonthemod

4、eldeveloped，CASisdesigned，includingattitudecontrollawandpathtrackingcontrollaw．Nonlinearsimulating-sys—temofthecontrollawisestablished．TheeffectivenessoftheCASisalsotestedbyMatlab／Simulinksimu—lation．ThesimulationresultshowsthattheCAScanmeettheneedtoaugmentstability．Keywords：ducted-fanUAV；dynamicmod

5、eling；CAS；Matlab／Simulink引言涵道风扇无人机凭借垂直起降和易于悬停的良好飞行性能，成为微小型无人机研究领域的热点。比较著名的涵道风扇无人机如美国联合宇航公司设计的iSTAR以及Sikorsky飞行器公司研制开发Cypher涵道风扇无人机。该类无人机结构紧凑，效率高，使用安全，并具有很好的环境适应性，能从狭小空间起飞，并且在复杂地形中灵活机动。但由于其本体静不稳定，需要增稳控制律来增加其稳定性。本文基于现有硬件资源——“桶形”涵道风扇无人机，设计增稳控制律并进行仿真验证。建立涵道风扇无人机六自由度动力学模型。设计增稳控制律，包括姿态控制及轨迹控制。通过Matlab／Sim

6、ulink模块搭建了非线性控制系统仿真模型，对所设计的控制律有效性进行了验证。1飞行器建模1．1实体模型通过CATIA软件建立涵道风扇无人机三维立体模型，并对实体模型进行了搭建。本文研究的涵道风扇无人机呈桶形，涵道内由无刷电机驱动单个旋翼，是主要的推力产生机构，旋翼产生的反扭矩通过固定在机身上的导流片来平衡，实现扭矩自平衡。涵道下部出口处布置呈十字分布的扰流片，通过舵机控制扰流片偏转，从而控制推力方向的偏转，产生调整无人机飞行姿态的力和力矩。本文通过电子秤测量各零部件质量，利用CATIA软件设置各部件密度，计算出重心位置及转动惯量。1．2动力学建模1．2．1假设、轴系及符号定义相较于常规固定翼

7、飞行器，本文针对涵道风扇无人机又提出以下假设：收稿日期：2013—06—03修订日期：2013—07—26基金项目：2012年度第一批国家级大学生创新创业训练计划项目资助(201210699002)作者简介：沈广琛(1991一)，男，山东泰安人，主要研究方向为飞行器设计与工程。2013年9月沈广琛等：涵道风扇无人机增稳控制律设计与仿真·71·1)无人机为刚体且机体质量保持不变，质量呈轴对称均匀分布