四旋翼无人机前飞模态特性

为研究四旋翼无人机在前飞模态下的特性,通过机理建模(叶素法)和风洞试验分析多旋翼无人机在前飞时桨叶和机身气动特性,分别得到了桨叶和机身在前飞模态的气动力模型。该气动力模型带入建立的刚体运动学方程中,可得四旋翼无人机在前飞模态下的非线性动力学模型和状态空间模型,并进行了风洞试验验证。结果表明:在前飞时桨叶气动力模型与悬停模型存在较大的区别;四旋翼在前飞模态时存在俯仰/垂向通道的耦合和滚转/偏航通道的耦合。

四旋翼前飞模态的频域辨识建模与控制器设计

由于四旋翼在前飞模态下的动力学特性与参数同悬停时存在明显差异,导致现有的基于悬停点设计的控制器性能难以满足机动任务中快速性和稳定性的要求,同时还缺少具备理论支撑的参数整定方法。针对这些问题,提出了一种适用于四旋翼前飞模态的频域辨识建模和控制器设计方法,通过频域系统辨识原理和实验,建立较为精确的前飞动力学模型,并结合极点配置法,形成一套姿态控制的内外环整体设计方案,从频域分析角度得到PID参数的解析表达式和整定结果。仿真和实验结果表明,基于频域辨识得到的前飞动力学模型进行极点配置设计姿态控制器,其响应速度较快,系统稳定性较强,信号跟踪准确,控制性能优于常规基于悬停模态手动调参的控制器。