《可變結構小型多旋翼無人飛行器的建模與控制算法研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由劉明擔任項目負責人的專項基金項目。
基本介紹
- 中文名：可變結構小型多旋翼無人飛行器的建模與控制算法研究
- 項目類別：專項基金項目
- 項目負責人：劉明
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
集直升機的垂直起降與固定翼飛機的高速巡航功能於一身，具有可變結構的航空飛行器顯示出其獨有的優勢。儘管這種設計理念近年來在微小型多旋翼無人機上也開始套用，但還沒有成功的報導。從文獻看，其基本原因是控制器設計沒有考慮到由這種結構變化引起的飛行器動態模型結構和參數（機體慣量矩陣和質心位置）的變化。為解決這類問題，本課題旨在用多剛體動力學方法對該類飛行器進行理論分析和建模。著重研究在懸停與平飛的相互轉換過程中機體結構變化對其動態模型結構的影響，建立包含精確描述這種變化的完整的動態模型,探索設計布局對動態性能的影響以及它與控制實現的關係，給出相應的控制算法。為了改善文獻中現有設計的動態品質和降低其控制難度，本課題提出了一種全新的可實現姿態與速度控制解耦的多旋翼變結構無人機的空氣動力學布局。在用上述方法對其建模和進行控制器設計的基礎上，在課題組已成功研發的四旋翼無人機平台上開發出試驗樣機進行實驗驗證。
結題摘要
本課題旨在結合旋翼機優良的垂直起降與懸停功能和固定翼飛機可藉助空氣動力產生升力的高效能特點，對具有變結構布局的小型多旋翼無人飛行器的建模與控制問題進行研究。基於申報時所提出的結合四旋翼機的“X”形布局和由可傾斜旋翼與機翼構成的“-”形布局的總體布局，使得姿態控制與位置控制的耦合達到最小的主要研究思想，對這一系統進行了研發，完成了如下工作：（1）設計建立了系統動態模型和仿真模型。通過理論分析和仿真驗證，提出了一類非線性控制算法。（2）在進行空氣動力學分析和仿真的基礎之上，對擬採用的可傾斜旋翼的所需推力和可傾斜機翼在巡航時所需升力進行探討，設計和製造了試驗樣機，並確定了其空氣動力學參數和動態模型參數。（3）開發了基於微控制器和由微型數字陀螺，加速度感測器，地磁計，GPS，聲吶，氣壓高度計等多感測測量單元以及實時機載飛行記錄模組等單元構成的自動駕駛控制系統，以及地面控制站，無線傳輸單元，遙控裝置等。並在其上實現了提出的控制算法和感測器信號處理與濾波算法，同時開發了通訊及管理的多任務實時軟體系統。（4）研製開發了包括手動控制，高度保持，自主懸停，自主著陸，自主點到點以及自主跟蹤連續巡航軌跡的多種控制模式。（5）針對四旋翼和變結構飛行模式研究和實現了一類針對該系統的，可在機載自動駕駛儀上實現的實時巡航軌跡規划算法。該類算法包括了垂直起降，定點懸停模式的軌跡規劃和針對自主巡航時類似於固定翼飛行器的恆速路徑巡航的圓弧-直線-圓弧算法。發表學術論文4篇，其中SCI收錄兩篇，（1篇已被IEEE Transactions on Control System Technology接收，見附屬檔案的出版清樣，）EI收錄兩篇。另有1篇投至國際會議（待評審），1篇投至國內學術期刊（評審中）。申請發明專利一項（目前在公開階段）。結合本項目的研究課題，培養了1名碩士研究生和正在培養4名碩士研究生。
