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小型多功能无人机设计优化与控制

魏江鹏  
【摘要】:倾转旋翼无人机是一种新型的多功能无人机,能够垂直起降,悬停和快速巡航,由于对起降环境没有特殊要求,大大提高了无人机的机动性,适用于航拍、运输、监测等航空领域。巨大的军用和民用价值使得国内外越来越多的机构开展了对倾转旋翼无人机的相关研究。倾转旋翼无人机在直升机模式下通过旋翼旋转产生升力,可实现垂直起降、自稳悬停和低速巡航;在过渡模式下通过旋翼和固定翼同时产生升力,通过旋翼产生推力,可实现低速平飞;在固定翼模式下通过固定翼产生升力,旋翼产生推力,可实现高速巡航。本文以倾转旋翼无人机的设计和控制为主线,从四个方面展开:首先,根据设计要求,建立了无人机整机结构方案,在Solidworks软件中建立了物理模型;然后,使用CFD流体力学仿真技术对机翼进行了优化,得出了机翼尺寸,同时提出了旋翼特性测试方案并设计了旋翼特性测试平台,对实验数据进行分析与处理之后确定了旋翼转速与升力的匹配关系;再次,建立了无人机悬停模式的动力学模型,设计了悬停模式下的多回路PID控制系统,建立了基于Simulink的控制系统模型并进行了仿真,同时建立了无人机过渡模式的数学模型,推导了无人机过渡模式下的倾角-速度包线,并初步完成了过渡模式控制系统的建模;最后,进行样机的制作,搭载现有的飞控板,完成程序的二次开发后进行了实验,验证了仿真结果的准确性。本文内容可为今后倾转旋翼无人机的设计与控制提供一定的参考。


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