二轴倾转旋翼无人机的设计及实现

该文结合多旋翼无人机和固定翼无人机的优点设计了二轴倾转旋翼无人机,这是一款摒弃传统设计观念的新型无人机。采用碳纤维复合材料以及巴尔沙木材,在最大程度减重的同时又保证了机体的强度。通过机载STM32处理器引导输出不同宽度的PWM波脉控制舵机带动发动机吊舱实现倾转。在垂直飞行姿态下,其最大推重比可达2,在水平飞行姿态下,其续航时间为52 min。其凭借着大推重比和高续航时间,可在山区、灾区等复杂环境中进行勘察、巡航等作业。     

基于STM32的X型四旋翼无人机设计

针对四旋翼无人机飞行姿态测量易受干扰、姿态解算和姿态控制输出误差大等问题,以飞行姿态稳定控制为目标,设计了一种基于STM32系列微控制器的X型四旋翼无人机。采用以双处理器、双陀螺仪和双加速度计为主的硬件架构,实时采集无人机飞行姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法和串级PID控制算法对姿态信息分别进行解算和控制输出。实验结果显示:小角度扰动下,双陀螺仪和双加速度计姿态测量精度高,合理设置双环PID参数后,姿态角输出误差小。结果表明:双传感器硬件架构在姿态测量中的抗干扰性更强,设计的X型四旋翼无人机飞行性能较好,达到飞行姿态稳定控制的目的。研究结果对后续飞行控制系统的深入研究具有一定的指导作用。     

半环形翼短距起降无人机设计

该文设计了一种多用途短距起降无人机,采用2个半环形卡斯特沟槽翼分置于机身两侧作为升力的主要来源,外接一段平直翼用于控制无人机的横滚并提供附加升力,尾翼采用双垂尾布局以增加稳定性,整机长度为12.30 dm,翼展为18.60 dm,机翼总面积为44 dm2,尾力臂为6.78 dm。具有短距离起降的特性,自动姿态修正、自动航线飞行、自主定速定高巡航、自动返航等功能,可用于农业、运输、军事、测绘等需要载重作业的领域,预期具有更广泛的应用。     

V/STOL飞机建模与仿真分析

以原理验证机为背景,建立了无尾布局垂直/短距起降飞行器的数学模型,并通过智能自适应方法对其进行了闭环飞行控制,控制量通过控制分配合理的协调各操纵面,最后在MATLAB7.0/Simulink环境下通过数值仿真进行了验证。结果显示,该平台具备垂直/短距起降能力和较好的飞行性能。     

面向环境适应性的无人机飞行姿态模拟器设计与仿真

针对无人机开展不同飞行姿态下的环境适应性试验,设计一种可以模拟旋翼无人机不同姿态的飞行模拟器,并采用联合仿真的方法对该模拟器进行虚拟仿真分析。首先,介绍飞行姿态模拟的结构设计及使用场景。然后,阐述联合仿真的技术方案,并分析伺服控制系统的基本原理。最后,搭建飞行模拟器的机-电联合仿真模型,建立基于速度闭环的控制系统,进行阶跃信号和正弦信号跟踪仿真。仿真结果显示:伺服系统的最大超调量为8.25%,最大调整时间为0.75 s。分析结果表明:设计的无人飞行姿态模拟可以有效模拟旋翼类无人机的飞行姿态,提出的联合仿真方法有效,具有实际的工程应用价值。     

小型四旋翼无人机飞行控制系统设计与实现

为进一步深入研究和开发小型四旋翼无人机搭建飞行控制实验系统,从硬件设计、软件开发和系统调试与飞行试验3个方面对搭建的小型四旋翼无人机飞行控制系统进行较为详细地阐述。飞行试验表明:所设计的飞行控制系统初步实现了对机体姿态的有效控制,为进一步研究自主飞行奠定了基础。     

基于插补导航的全自主旋翼机设计与控制

为了解决传统旋翼无人机因手动遥操作而导致飞行不稳定的问题,研究了基于插补导航的全自主旋翼机的设计与控制方法。首先,根据导航系统和地面站,获得当前无人机与目标点之间的位置姿态关系;然后基于插补控制算法,利用机载控制器输出相应的能够控制无人机稳定飞行的脉冲宽度信号,实现脱离手动遥操作的四旋翼无人机全自主飞行控制。最后,通过全自主插补导航飞行仿真与实验,验证了该全自主无人机设计的可行性。结果表明,该全自主控制架构能够有效地模拟遥操作信号,实现无人机的全自主飞行控制,且具有更高的稳定性。     

基于Cortex-M4F内核的无人机载解算硬件加速技术

无人机进行飞行姿态测量解算的过程中,高采样率、较大解算量造成CPU负载过重,会影响姿态解算的实时性和准确性。针对此问题,提出一种基于Cortex-M4F内核的机载算法硬件加速技术。在分析无人机姿态解算算法特点的基础上,通过Cortex-M4F内核集成的DSP与浮点运算单元,对算法中三角函数、矩阵运算以及浮点数解算进行加速优化,并利用内核中CCM存储器代替SRAM,保证CPU数据存取时总线数据传输带宽的相对独立,实现无人机算法的高更新率与实时解算。实验结果表明,在实际机载飞行过程中进行算法的硬件加速,单周期解算时长减少至原时长的63.4%,数据更新率提高至500 Hz以上,在保证无人机姿态解算精度的同时,能够满足高动态数据采样的实时性要求。     

四旋翼无人机轻量化结构改进设计

本文以垂直起降载运空投四旋翼无人机机身结构为研究对象,对四旋翼无人机机身结构优化改进。采用碳纤维复合材料,芳纶纤维材料和巴尔沙木材,保证强度有足够冗余的同时对四旋翼无人机机身进行轻量化改进设计。四旋翼无人机轴距是466mm,机架仅重50g,搭配使用10寸的APC螺旋桨,有效载荷可达3kg,可准确高效地在火山、地震和洪水灾区等危险环境中执行勘察、拍摄和运载物品等任务。     

基于UKF信息融合的多旋翼飞行器姿态估计

姿态估计是多旋翼飞行控制的基础,为实现多旋翼三轴姿态估计,构建了基于MEMS陀螺、加速度计和磁力计的低成本姿态测量系统.该系统采用STM32F103作为控制器,集成加速度计和陀螺仪MPU6050,磁强计HMC5883作为测量传感器.针对多旋翼飞行器单一传感器无法准确测量姿态信息的问题,提出了基于无迹卡尔曼滤波信息融合的姿态估计算法.以陀螺仪为状态矢量,加速度计和磁强计解算的姿态角为观测矢量,无迹卡尔曼滤波器将陀螺的良好动态性能与加速度计、磁强计的良好静态性能结合起来,提高姿态测量精度,具有良好的动态跟踪性能.通过飞行测试,与高性能成品飞行器的姿态信息做对比,验证和分析该低成本姿态测量系统的有效性.实验结果表明,基于无迹卡尔曼滤波的姿态测量系统实现了动态环境下低成本多旋翼的精密姿态测量,为无人机自主飞行控制奠定了基础.     

基于视觉信息的无人机自主着陆过程姿态角简化计算方法

研究了一种基于地平面算法的无人机着陆过程中姿态角估算的改进方法。通过地面坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵、机体坐标系到摄像机坐标系的变换矩阵、机体坐标系到地面坐标系的变换矩阵求解,确定无人机的姿态信息;利用无人机着陆过程中跑道的图像地平线和跑道数据等特征提取,在获取摄像机姿态角的基础上,计算无人机的滚转角和俯仰角,用跑道特征来估算无人机偏航角;通过矩阵变换解算出无人机的姿态角,并通过仿真进行了实验验证。该方法对摄像机的安装位置没有特殊的要求,解除了传统方法对摄像机安装位置的限制,简化了无人机姿态信息的求解方法。     

多用途扇翼机设计与实现

该文设计了一款多用途扇翼飞行器，在扇翼机的基础上对扇翼机的实际用途进行探究并实现相关功能。该文研究的对象是一架机长为970 mm、翼展为1 200 mm且翼面积为39.35 dm²的扇翼机。试验结果表明，该无人机具有超短距起降、大迎角不失速、操纵控制简单、低速飞行稳定性和安全性好等优点，是一种性能介于直升机和固定翼机之间的新型无人机，搭配现有设备就可以在军事、农业、救灾以及运输等方面具有广泛的应用价值。     

微小型无人机航向姿态解算研究

在低成本硬件的约束下,微小型四旋翼无人机在完成翻滚、竞速、旋转等复杂的大幅度机动动作的同时,还必须保证机体航向角的稳定性,这对四旋翼无人机航向姿态解算提出了较高的要求.传统的航向角计算方法由于存在收敛速度过慢,误差较大等问题,导致机体缓慢自旋,影响飞行航向稳定性.故设计了基于优化的HMC5883L和MPU6050融合航向姿态解算新方法,将该算法与陀螺仪积分方法或HMC5883L直接解算方法进行实验对比,实验表明:采用该算法不仅保证了航向角的输出精度也提高了其收敛速度,从而保证了无人机航向的稳定.     

无人机三维视景仿真系统的设计与实现

无人机操作是一个复杂的过程,对操作人员素质要求很高。传统的无人机地面站系统数据回显多采用参数、二位图标以及图表曲线等形式,使操作手不能对飞行在三维空间内的无人机飞行状态有一个直观的感受。本文依据虚拟仿真现实技术的相关理论,介绍了在无人机地面站系统中加入三维视景仿真功能后该系统的基本结构以及三维视景仿真系统。该系统可真实直观地反映无人机飞行状态,它是基于Creator来实现无人机和场景建模,通过VC++加载VEGA软件来完成分布式仿真控制程序的设计。系统模拟了无人机弹射起飞、巡航飞行及开伞降落等各飞行阶段的真实状态。     

基于滑模控制的四旋翼无人机姿态跟踪研究

由于应用广泛,四旋翼无人机近年来得到了众多科研人员的关注。本文首先利用Newton-Euler法建立了四旋翼无人机六自由度运动学和动力学模型,并在此基础上设计了基于反步法、滑模控制和动态面理论的姿态跟踪控制器:实际姿态与期望姿态间误差作为控制器输出,无人机所受合力与各方向力矩作为控制器输出。最后,通过Matlab对无人机控制系统进行数值仿真,仿真结果表明了所设计姿态控制器的可行性和有效性。     

浅析无人机自动避障系统

<正>随着无人机技术的发展,无人机广泛应用于军事和民用的各个领域,自主飞行控制及避障能力是保障无人机安全飞行的前提条件,因此自动避障成了无人机自动化或智能化的关键所在。所谓无人机"自动避障"系统(Obstacle Avoidance),就是无人机飞行器在自动飞行的过程中遇到障碍物时,通过在线测量的方式自动识别、有效规避障碍物,达到安全飞行的系统。目前主要的无人机自动避障系统包括超声波、TOF、视觉图像复合型技术三种。     

无人机飞行品质规范发展思考

文章首先对无人机飞行品质规范发展现状进行了分析,介绍了国外无人机飞行品质规范的研究前沿;针对飞行品质规范的强制性问题进行了分析;最后总结了对我国无人机飞行品质规范发展的几点启示。     

机翼可收缩式飞行汽车设计

该文针对飞行汽车中机翼可收缩这一概念,设计出一款可以实现垂直起降和收缩机翼的飞行汽车概念模型。通过CATIA、CAD、SolidWorks和Profili这4款软件分别对涵道风扇、车身结构、可收缩机翼进行建模分析。对飞行汽车的外形设计以及航行状态的各项基本参数进行了估算,分别叙述了可收缩机翼、涵道风扇、车身材料及外形设计的具体方案,以及不同部件的工作过程及其原理。通过论证得出,该飞行汽车的设计方案可以改变城市交通拥堵的现状,革新现有的交通方式,促进高新技术的发展。     

一种巡检无人机能量转换及管理系统

由于巡检无人机需要高效工作,因此延长巡检无人机飞行时间和缩短操作时间具有重要意义。因为巡检无人机的电子设备供电全部来源于电池,所以小型无人机的发展会受到电池发展能量密度的制约,使用燃油和电池作为无人机的混合动力将是无人机的发展方向。同时在飞行过程中对电池充电,将燃料的化学能转化为电能,可以缩短无人机多次飞行的间隔时间,提高作业效率。     

多体组合式无人机飞行力学稳定性分析及增稳控制研究

多体组合式无人机是一种新概念飞行器,由多个小型无人机以翼尖铰接连接组成,该概念飞行器能够融合小型无人机与高空长航时无人机两类飞行平台的性能和任务优势,发展潜力巨大。基于Newton-Euler方程及升力线方法建立多体组合式无人机飞行力学模型,针对允许相对滚转运动自由度的双机组合式无人机系统进行配平及稳定性分析。结果表明,不同于传统构型飞行器,多体组合式无人机系统具有不稳定复合运动飞行模态,该复合模态由相对滚转运动主导,在无控状态下该构型飞行器无法稳定飞行。在完成动力学建模的基础上,基于PID控制方法,为每个单体飞行器单独设计增稳控制回路以达到增稳控制目的,仿真结果表明该控制思路有效,可以快速镇定发散的飞行力学系统。