复合式无人机设计、建模与飞控硬件在环仿真

【摘要】：复合式VTOL无人机为最近比较火热的无人机机型,以其独特的四旋翼加固定翼的结构特点应用在诸多领域,复合式无人机结合了四旋翼和固定翼的特点,既可垂直起降,又可以进行平直飞行,大大减少了无人机对地形或者其它环境的依赖,其在最近几年得到快速的发展。由于复合式无人机近年来需求的增长,对复合式无人机的研究和制造就成了重中之重,直接利用一个实体无人机进行实验可以给我们最佳的反馈,但是由于极高的造价,导致我们不可能随时使用实体。基于上述的原因,对复合式无人机建立的结构模型和数学模型进行仿真将会是研究无人机的重点。本文以pixhack为控制器,搭载PX4固件,提出了一种基于Gazebo进行复合式无人机结构模型动力学仿真的方法,通过飞行数据来分析无人机结构模型;然后设计了一种基于python的研究复合式VTOL无人机垂直起降过程控制的仿真系统,来验证无人机垂直起降过程的数学模型。主要研究内容如下:第一部分绪论介绍了复合式无人机的背景和发展现状,以及无人机控制系统仿真研究的发展现状。第二部分介绍了复合式垂直起降无人机的飞行原理,以此设计复合式无人机的动力学数学模型以及分析PX4飞行控制系统。第三部分对复合式无人机进行设计,随后利用solidworks建立的三维模型进行基于XML格式代码的编写,最后利用搭载PX4的Pixhack飞控、遥控器和Gazebo进行硬件在环仿真,并分析了飞行日志,证实所设计的无人机模型可正常飞行。第四部分利用python建立一套分析复合式VTOL无人机垂直起降过程控制的仿真系统,根据第二章设计的动力学数学模型和第三章的PX4飞控系统原理,设计控制模块和动力学模块,并与此系统的无人机信号、姿态解算模块形成闭环仿真,将垂直起降过程中三个自由度的数据通过动态的曲线显示出来。此套系统各个部分可以完成预先设定的功能,并基本可以反映该款复合式无人机的垂起过程以及验证动力学模型。