倾转旋翼无人机动力学建模与控制系统设计
2021年电子技术应用第5期
刘建龙，窦银科，左广宇
太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原030024
摘要： 倾转旋翼无人机综合了四旋翼无人机垂直起降、悬停与固定翼无人机远距离、高速度航行的能力，是一种新模式的无人机。通过对此类无人机桨叶的拉力分析和计算，建立了倾转旋翼无人机的动力学模型,并对模型中拉力系数、舵机电机响应等进行测量。同时针对多路PWM输出，设计了控制电路。对倾转舵机倾转过程进行程序设计，完成两种模态的过渡过程。测试结果表明，控制系统可以完成倾转过程并实现自稳定调节。
中圖分類號： TP20；V279
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200840
中文引用格式： 劉建龍，竇銀科，左廣宇. 傾轉(zhuǎn)旋翼無人機動力學(xué)建模與控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(5)：59-63.
英文引用格式： Liu Jianlong，Dou Yinke，Zuo Guangyu. Dynamic modeling and control system design of tilt-rotor UAV[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(5)：59-63.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200840
中文引用格式： 劉建龍，竇銀科，左廣宇. 傾轉(zhuǎn)旋翼無人機動力學(xué)建模與控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(5)：59-63.
英文引用格式： Liu Jianlong，Dou Yinke，Zuo Guangyu. Dynamic modeling and control system design of tilt-rotor UAV[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(5)：59-63.
Dynamic modeling and control system design of tilt-rotor UAV
Liu Jianlong，Dou Yinke，Zuo Guangyu
College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
Abstract： Tilt-rotor UAV(unmanned aerial vehicle), integrating the VTOL(vertical take-off and landing) and hovering of the four-rotor UAV and long-distance and high-speed navigation capabilities of the fixed-wing UAV, is a new model of UAV. In this paper, the dynamic model of tilt-rotor UAV is established by analyzing and calculating the pulling force of such UAV blades. And this paper measures the response of pulling force coefficient and steering gear motor in the model. At the same time, a control circuit is designed for multiple PWM outputs. The program is designed for the tilt angle and tilt process to complete the transition process of the two modes. The test result shows that the control system can complete the movement of the tilting process and realize self-stabilization.
Key words : tilt rotor；system identification；PWM；circuit design
0 引言
近年來無人機技術(shù)水平不斷發(fā)展，為提高無人機性能，垂直起降無人機逐漸成為無人機研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點問題之一。作為垂直起降無人機的一種方案，傾轉(zhuǎn)旋翼無人機受到廣泛的關(guān)注。傾轉(zhuǎn)旋翼無人機是在四旋翼無人機的基礎(chǔ)上，將飛行方向的前兩個旋翼增加傾轉(zhuǎn)舵機實現(xiàn)由垂直方向向水平方向上的傾轉(zhuǎn)。美國波音公司和貝爾直升機公司(Boeing Bell)聯(lián)合開始研發(fā)的“魚鷹”號無人機最早實現(xiàn)這種傾轉(zhuǎn)模式[1]。這種無人機的飛行模式分為3種模態(tài)：固定翼模態(tài)、傾轉(zhuǎn)過程模態(tài)與四旋翼模態(tài)。四旋翼模態(tài)可以使無人機進行垂直起飛與降落，減少傳統(tǒng)固定翼無人機起飛所需要的空間；固定翼模態(tài)可以進行高效率遠距離的航行；傾轉(zhuǎn)過渡模態(tài)是這兩種模態(tài)的銜接過渡過程[2]。
本文對四旋翼的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機任務(wù)模式分析并進行了動力學(xué)建模。通過拉力實驗得到了模型中常系數(shù)。通過對傾轉(zhuǎn)過程的研究，規(guī)劃傾轉(zhuǎn)過程控制策略，并為此設(shè)計了控制電路，使得飛行器的可以在預(yù)定時間內(nèi)完成傾轉(zhuǎn)過程。
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作者信息:
劉建龍，竇銀科，左廣宇
(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原030024)
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