小型垂直起降飞行器的设计.doc

摘要：多旋翼无人机具有垂直起降、悬停、姿态转变灵活等常规飞翼无人机不具备的优势，逐渐成为世界各国的研究热点，但旋翼的前桨叶失速、尾叶分离等原因，限制了多旋翼无人机的飞行速度和飞行航程。传统固定翼的主要的升力来源来自于机翼与空气的相对运动，利用这一特点固定翼飞行器可以进行长时间的滑翔飞行，所以与多旋翼飞行器相比固定翼的续航时间长、飞行速度快，但其起飞和降落受场地的限制非常大，需要一段较长的起飞跑道。因此设计了一种既能垂直起降，又能高速、长时间续航的小型垂直起降飞行器。

小型垂直起降飞行器具有旋翼模式、过渡模式和固定翼模式三种飞行模态。在结构上与常规飞翼类似，采用双发电机安装于机翼两边前侧，提供动力。在旋翼模式下，机头指向天，机腹指向前，机身与地面垂直，旋翼提供向上的拉力，以实现垂直起降、空中悬停等功能。在过渡模式下，飞行器由垂直状态转入平飞，执行飞行任务。飞行器进入到固定翼模式后，机翼提供的升力平衡飞行器自身重力，旋翼提供水平方向的拉力。

本设计以小型垂直起降飞行器为研究对象，搭建了一套包括飞控软件架构、飞控硬件模块以及飞行器机体结构在内的飞行验证样机，确定并优化控制、过渡策略，完成飞行器的飞行任务。主要完成工作包括设计姿态解算算法，通过卡尔曼滤波算法进行数据融，设计相关制导及控制律算法实现飞行器在旋翼和固定翼两种模式下的正常飞行，并利用串级PID算法调节悬停油门实现飞行器的室内外定高，以及搭建六自由度飞行器模型进行纯数字和半实物仿真实验调节其飞行参数并分析其飞行性能。

关键字：垂直起降；多旋翼；固定翼；串级PID；姿态解算；

目录

摘要

Abstract

1引言-1

1.1课题的开发背景和意义-1

1.2垂直起降飞行器的研究现状-1

1.2.1国外研究现状-1

1.2.2国内研究现状-2

1.3课题任务-3

2系统分析与总体方案设计-4

2.1垂直起降飞行器的基本原理-4

2.2小型垂直起降飞行器的整体设计-4

2.3控制器模块方案选择-5

2.4姿态解算模块方案选择-6

2.5高度模块方案选择-6

2.6姿态控制模块方案选择-6

3系统硬件电路设计-8

3.1微控制系统模块-8

3.2姿态解算模块电路-10

3.2.1飞行姿态检测传感器-10

3.2.2 传感器与主机通信-12

3.3高度传感器-14

3.4电机驱动模块-15

4软件设计-18

4.1系统主程序设计-18

4.2姿态解算模块设计-19

4.2.1加速度传感器测量数据解算-20

4.2.2陀螺仪测量数据解算-22

4.3 姿态控制模块-23

4.3.1旋翼模式的姿态控制-23

4.3.2固定翼模式的姿态控制-24

4.4过渡算法策略-24

4.4.1多旋翼过渡到固定翼-24

4.4.2固定翼过渡到多旋翼-25

4.5 定高算法-25

5系统调试-27

5.1过渡策略纯数字仿真调试-27

5.1.1旋翼过渡固定翼-27

5.1.2固定翼过渡四旋翼-28

5.2半实物仿真调试-29

5.2.1仿真系统原理-29

5.2.2飞行器建模原理-30

5.2.3控制台功能实现-32

5.2.4仿真结果分析-33

6展望-36

7结束语-37

参考文献-38

致谢-39