混合动力无人机的设计、建模与控制

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文 l 张飞

本论文的主要目的是设计、开发和控制一种新型混合式无人机(UAV)，即一种具有传统固定翼机身结构的倾转旋翼三旋翼机，可垂直起降并像飞机一样飞行。

本章介绍了本研究的动机，对机身结构和控制系统进行了文献综述，概述了在该领域中进行的先前研究和进展。提供了本论文的贡献，并以论文大纲结尾。

混合式动力无人机的机身配置

动机

如今，无人机已经在日常生活和社会监控、军事应用中发挥了作用。无人机是迷人的空中机器人，可以处理各种任务，因此吸引了大量的研究兴趣和投资。设计、生产和使用各种类型的无人机。

常见的机身结构配置有水平起降(HTOL)和垂直起降(VTOL)，就像在航空界中，传统飞机和直升机有着不可替代的地位。这两种配置具有不同的飞行特性、优点和缺点。因此，结合这些配置将带来一些好处。

扩展的飞行范围、增加的飞行速度、无需跑道起飞和悬停飞行能力是其中的一些好处。因此，混合式飞行器成为航空领域的主要研究和研究领域之一。混合式无人机技术仍需要得到进一步发展和改进。

混合式无人机有多种配置，例如双系统、倾转机翼和倾转旋翼配置。由于结构、气动和推进配置的差异，每种配置都具有其自己的特点。

例如，倾转旋翼垂直起降无人机比其他配置更具有优势，因为在所有飞行阶段都使用了倾转旋翼，与双系统相比更加重量高效。此外，在垂直起降和悬停飞行阶段，它们在气动和结构上也可以更加高效，因为没有倾斜翅膀。

机身配置

无人机（UAV）在航空时代开始后，尤其是在过去几十年中变得流行。将人为因素从空中飞行器中排除是理想的和有利的。

特别是消除死亡和伤害风险，简化和减少建造、操作和维护成本，缩小尺寸，多样化使用领域是无人机的一些优点。

特别是电子和传感器技术的进步改善了无人机技术，它们开始在日常生活中扮演更重要的角色。测绘、勘测、搜救、通信、运输、气象、农业和拍摄是一些民用商业领域的应用。

监视、间谍、标记、轰炸目标打击实践可以被给予作为几个安全军事应用的例子。

根据任务的性质，飞机的配置会发生改变，换句话说，一些飞机的配置不适合特定的任务。例如，对于观察站停留飞行，需要直升机，对于高速和长程飞行，需要飞机。

无人机可以分类为固定翼、旋翼、振翅、轻于空气（LTA）和混合配置。还有其他类型的无人机不适合分类在指定的配置下。各种类别的无人机已在图中说明。

各种类别的无人机；固定翼，飞机固定翼，飞机旋翼，直升机旋翼，串联旋翼旋翼，四旋翼振翅，鸟混合轻于空气气球。

由于结构、气动、推进和稳定性特性，每种配置类别固有其自己的优缺点。固定翼飞行器可以以高速飞行更远，并具有更高的有效载荷能力。由于稳定的飞行特性，它们更易于控制。但是，它们也需要足够的水平速度以提供所需的垂直升力。

这意味着需要跑道或特殊的发射系统（不适用于大尺寸），这增加了运营和维护成本。另一方面，旋翼飞行器具有高度的机动性和能够悬停飞行的能力，这在跑道缺失和城市区域的使用和运输中特别需要。

不幸的是，它们没有固定翼飞行器的特定能力。通过开发混合无人机，可以消除旋翼和固定翼类别的缺点，并将它们的优点结合起来。在表中，总结了固定翼、旋翼和混合配置的一些特征的比较。

如表所示，混合无人机（或固定翼垂直起降）将旋翼和固定翼飞行器的优点组合在一起，从而增加了任务能力并扩展了功能范围。

货物的投放和取回、悬停监视、在崎岖地形上的操作、类似火星观测任务的行星观测等许多条件都需要绕过跑道要求，这提高了混合飞行器的重要性，它们还具有长航程、高耐久性和快速飞行的能力。

因此，它们吸引并保持了几十年的关注，许多研究在这个领域进行。

已经开发、生产和操作了许多混合配置的概念设计。混合无人机可以归类为尾翼降落、双系统、倾转翼、倾转旋翼配置。

倾斜旋翼控制方法

混合动力无人机的动力学由非线性的运动方程所控制，特别是在悬停多旋翼和过渡模式下，车辆动力学本质上是不稳定的。因此，必须使用反馈控制器来稳定系统。

线性和非线性控制器都被研究和实现在文献中。非线性控制器包括更广泛的操作范围，因此在不同的操作点，如干扰和各种状态参数下，给出更好的响应。

但由于需要非常准确的非线性动力学模型，以及它们的设计和稳定性分析比线性控制器更繁琐，实际应用中更倾向于使用线性控制器。

线性控制器在线性化系统的操作点周围足够使用。然而，倾斜旋翼混合动力无人机有三个不同的操作阶段，悬停、过渡和巡航，由于三种情况的平衡条件不同，单个线性控制器无法稳定整个车辆动力学。

为了解决这个问题，可以使用非线性控制器或在不同的线性控制器之间提供增益调度。

倒推法、滑模、非线性动力学模型反演和增益调度是倾斜旋翼/倾斜机翼无人机的非线性控制技术之一。

在Compiègne技术大学，一些研究人员开发了一个倒推控制器；在印度理工学院，设计了一个基于倒推的PD控制器用于双倾斜旋翼无人机；

在Compiè技术大学，另一组人提出了一种基于Lyapunov设计的倒推控制器用于四旋翼倾斜旋翼无人机。

?ner等人在Sabanc?大学为四旋翼倾斜机翼无人机提出了一种滑模控制器，而Gyeongsang国立大学和北航则设计并提出了用于倾斜旋翼无人机的动态模型反演控制器。

最后，日本宇宙航空研究开发机构的Sato等人、帕特拉斯大学和ETH Zurich的Papachristos等人、Hernandez-Garcia和Summers分别提出了用于倾斜混合无人机的增益调度控制器。

比例积分微分（PID）和线性二次调节器（LQR）是倾斜旋翼无人机研究中常用的线性控制器。Papachristos等人将PID控制器实现到了双倾斜旋翼和三旋翼无人机上。

此外，?etinsoy等人为四旋翼倾斜机翼无人机开发了一个PID控制器。

对于LQR控制器，?ner等人在四旋翼倾斜机翼无人机的垂直飞行中展示了它，?nen将其开发用于倾斜旋翼三旋翼无人机的垂直飞行，Papachristos等人再次在垂直飞行模式下展示了其在三旋翼倾斜旋翼无人机中的应用。

双倾斜旋翼三旋翼配置的固定翼机身只有少数几个例子，并且仅通过经典的PID控制器进行研究。悬停飞行和巡航飞行模式之间的转换还没有详细探讨。

混合动力无人机的设计

推进几何

本段目的是设计和开发一种具有倾斜旋翼配置的混合动力无人机。

与其他配置相比，倾斜旋翼垂直起降无人机具有一些优点，如与尾座式飞行器相比更好的过渡阶段特性、在悬停或巡航飞行模式下减少未使用的执行器数量（对于双系统无人机而言）以及与倾斜机翼配置相比更好的结构和气动特性。

根据旋翼数量和类型，有不同类型的倾斜旋翼无人机。双旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼，无论是单旋翼还是同轴旋翼都是倾斜旋翼配置的例子。

再次强调，三旋翼配置被选中，因为它具有较少的执行器数量，提供更低的阻力、更轻的重量和能源消耗，与其他多旋翼无人机相比具有更好的稳定性和结构优势，因此具有更好的气动特性，与双旋翼无人机相比更优。

简而言之，选择了一种三旋翼配置，其中两个旋翼在前方独立倾斜，另一个旋翼在后方固定。考虑到旋翼落在等腰三角形的顶点上，三旋翼的重心在三角形的中位线上。

翼尾几何

由于该车辆没有针对特定任务进行设计，而是一项旨在提取数学模型、验证模拟并研究控制和稳定性的实验性研究，因此在空气动力学、重量和能耗方面不是最优设计。

因此，矩形翼型被选择为翼型，不倾斜、不锥形、没有扭转，这样更容易进行计算、设计和生产。此外，由于推进器有足够的地面间隙且更稳定，所以决定将机翼设置为高翼。此外，该无人机可以在机身上起降。

指定了具有矩形水平部分的传统尾翼，具有足够的稳定性和控制性，重量轻、几何形状简单、易于生产。

在确定推进配置后，指定使用传统单翼飞机模块。标准的固定翼飞机易于设计和制造。根据我们的了解，还没有倾转旋翼三轴飞行器配置的示例。

将倾转旋翼安装在机翼的末端会导致使用较低的机翼跨度、展弦比和更厚的翼型选择，从而导致较差的结构和空气动力特性。

此外，滚动运动的力臂将增加，在垂直着陆期间，车辆存在可能的危险，例如将旋翼撞击到地面上。

因此，前倾旋翼被指定设置在机翼前方的梁上，位于机身两侧。图显示了一个概念设计。

机身设计

机身的尺寸是通过考虑容纳飞行控制器、电池、空速传感器、遥测模块和其他航空电子设备来确定的。

机身足够长，可以通过移动电池来调整重心。设计了一个矩形-梯形棱柱形状的机身。

通过组合泡沫等材料的板块来构建机身非常容易。机翼将放置在机身侧面的雕刻位置上。该设计如图所示。

结论

本论文设计了一种新型的倾转旋翼三轴混合型固定翼无人机。该混合型无人机具有垂直起降和前进飞行能力。为了实现从垂直起降到前进飞行的过渡，前旋翼会倾斜。

该车辆的数学非线性动态模型包括空气动力和推进部分。对于空气动力部分，使用VLM/3D面板法仿真软件提取了车辆的气动系数、稳定性和控制导数，得到了模型。

为了分析稳定性并开发线性控制器，将车辆调整到各个飞行阶段的平衡状态。然后在指定的平衡点处对非线性系统进行线性化。然后提供线性系统的状态空间模型。通过使用线性化系统，开发了各种类型的控制器。

为多旋翼和固定翼飞行模式开发了PID、LQR和LQT线性控制器，并进行了比较。开发了一个控制混合器，并利用它在过渡时加权控制器，并根据车辆的飞行模式激活/停用它们。

所设计和建模的系统在Simulink中构建。对于悬停和前进飞行模式，模拟和分析了非线性车辆动力学，并给出了参考命令。此外，还模拟了飞行模式之间的过渡，并呈现了结果。

具有垂直起降能力的混合型无人机在今天处于有前途的位置，需要进一步研究混合型空中载具。在本论文中，我们研究了混合型无人机的设计、建模。

参考文献

萨默斯，A. W.(2017)。固定翼倾转旋翼直升机建模与控制(博士)，美国华盛顿大学。

土耳其航空航天公司，安卡。[2018年1月访问]。

诺斯罗普·格鲁曼公司，LEMV。——10025。[2018年1月访问]。

垂直倾斜风管起降无人飞行器概念设计研究。杂志飞机，41(2)，215-223。

垂直起降飞行器建模与控制器设计车辆。METU，安卡拉。

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