小型旋翼类无人飞行控制系统设计.pdf

Classified Index: V249.1 U.D.C.: 629.7 Dissertation for the Master Degree in Engineering Flight Control System Design for Miniature Rotorcraft UAV Candidate ： He Mo Supervisor ： Prof. Cui Naigang Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality ： Spacecraft Design Affiliation ： Dept. of Astronautics Engineering Date of Defence ： July, 2013 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 旋翼类无人机因其机动性能优异，起降方便，成本低廉，安全性好，在包 括运输，勘测，抢险救灾，航拍等领域得到了日益广泛的应用。绝大多数旋翼 类飞行器都属于静不稳定飞行器，需要配合性能优良的飞行控制系统才能发挥 更佳的使用效果。本文针对旋翼类无人机飞行控制系统设计问题展开研究。 首先，建立了四旋翼飞行器和单主旋翼带尾桨式直升机的动力学数学模型。 接着，针对旋翼类飞行器飞行高度低，飞行速度小的工作特点，给出了一 种低成本的多传感器信息融合姿态确定方案。以离散化的一阶惯性环节对传感 器输出数据进行滤波处理，用 MEMS 陀螺仪对载机姿态的变化进行敏感，用加 速度计和磁力计的测量信息对陀螺仪的漂移进行修正，为整个飞行控制系统提 供稳定且具有足够精度的载机航姿信息。 然后根据旋翼类无人机的动力学信息提出控制方案，设计一个 PID 控制回 路，由无人机的姿态信息和陀螺仪输出生成控制信号并将之分配到各个执行机 构上，实现对载机的姿态稳定和控制。 最后将以上所有内容在实际的硬件环境中体现，并通过四旋翼飞行器和单 主旋翼带尾桨直升机的飞行实验验证了本文所有内容的合理性和相关飞行控制 系统的可用性。 另外，本文针对旋翼类无人机飞行控制系统各部分的参数设计进行了深入 的讨论，对本文内容涉及到的所有参数给出了参考设计。 关键字：旋翼类无人机；飞行控制系统；四旋翼；直升机 - I - Abstract Abstract Due to its outstanding maneuverability, relatively low cost and the ability to take off and land vertically, rotorcraft UAV has been chosen to conduct diverse tasks including transportation, reconnaissance, search and rescue, among others. Most rotorcrafts are statically unstable aircraft and high performance flight control systems are necessary to make the most of their operating characteristics. This paper presente