一種關于三旋翼結構的控制裝置

黃嘉豪 吳杰章 黃科超

摘 要：三軸式無人旋翼飛行器控制裝置，由兩個普通旋翼和一個可變螺距旋翼組成，各旋翼由三相直流電機直接驅動，只需調節各電機轉速與可變旋翼螺距就能控制旋翼飛行器運動姿態和軌跡。為使變螺距三旋翼無人旋翼飛行器飛行控制系統設計得到有效驗證，采用牛頓歐拉法建立6自由度非線性模型進行分析，運用葉素動量理論建立載荷計算方法推論旋翼入流分布對氣動載荷模型的影響，通過實踐驗證可變螺距旋翼與普通旋翼組合氣動載荷計算模型的正確性。

關鍵詞：三軸式無人旋翼飛行器；控制裝置；自由度

隨著科技水平的快速發展，人力資源被放到更重要的社會地位和軍事地位。危險的、骯臟的、枯燥長時的軍事任務和救援任務，無人機能保障任務人員安全、有效地將其完成。對應不同的任務載荷，低成本、高效益的無人機能完成更多的規劃任務，被廣泛應用于近年的軍事領域和民用領域。因此無人機產業頻繁亮相在各大新聞報道和國內外科技展會中，航空類、電子類高校紛紛開設相關專業課程并相互探討，無人機科技及其產業得到空前的發展。

1 國內外研究狀況

1.1 變螺距三旋翼無人旋翼飛行器自旋問題研究

自旋是指其在水平或垂直復合運動時，由于旋翼間產生的反扭矩未能相互抵消，飛機產生繞yaw軸轉動的現象。借鑒四旋翼的懸停原理：軸向對稱旋翼相互反方向旋轉而抵消產生的扭矩，同時，本無人機利用尾部的變螺距旋翼，控制偏航舵面（yaw），通過適當調整ccpm十字盤角度來抵消自身的反扭矩而保持航向。

1.2 三旋翼結構控制難點

三旋翼結構的飛行器在三維空間坐標中，可以實現6自由度姿態動作。為了實現的這些姿態的動作，需要對軸上的3個的電機轉速進行調整，從而完成對三旋翼結構飛行器的姿態調整，由此可得三旋翼結構飛行器屬于的欠驅動系統。而欠驅動系統具有其顯著的特點，即為系統的控制輸入箱梁構成的矩陣空間維數比輸出量構成的空間維數少。針對欠驅動系統的控制，必須由較少的控制輸入的完成對的更大空間維數內的姿態控制，且直接激勵自由度控制與欠驅動自動度之間的關系的非線性耦合關系。

2 三旋翼結構控制裝置設計

2.1 力矩分析

為完成對三旋翼結構飛行器的姿態控制，需展開相關模型的建立，可以選擇牛頓歐拉法建立6自由度非線性模型進行分析。但在此之前，需展開的對旋翼的力矩分析。如下圖1所示為電機M1、M2、M3產生的上升力。

根據上圖的基本情況，選取俯視圖展開力矩分析，從而得到3個的電機的每個的電機產生扭轉力之間的關系：

3f1=3f2=f3

且得到f1、f2、f3為轉軸切線方扭轉力，F1、F2、F3為電機提供的上升力，L1、L2是F1、F2到支點O的距離，L3是F3到重心的距離，L4為重心到的支點O的距離。且得到三旋翼結構飛行器的在X、Y、Z軸上的受力矩陣為τ：

2.2 建模

在完成對的基本力矩分析后，選擇牛頓歐拉法建立6 自由度非線性模型，具體的動力學模型方程為：

其中I表示的三旋翼結構的重心到每個的螺旋槳中心位置的臂長，IK是的對應軸的轉動慣量。由此，得到基于牛頓歐拉法建立6自由度非線性模型，完成對三旋翼結構的最終動力模型的確定。

2.3 分析旋翼入流分布對氣動載荷模型的影響

選取葉素動量理論構建荷載計算方法，完成對旋翼入流分布對氣動載荷模型的影響的分析。先分析的葉素速度矢量圖，再對葉素受力示意圖展開分析，從而得到的具體的合成氣流速度V0，葉素處入流角φ，攻角α，可以得到葉素r處dr微段的軸向推力和扭矩，結合扭矩和功率，可以得到完整的荷載計算方程：

其中a，b分別為軸向誘導因子和周向誘導因子。如上為葉素動量理論的基本概念，在具體的荷載計算中，可結合十MATLAB完成對葉素軸向、切向因子數據分析，得到的局部速度比與軸向、切向因子的關系。再分析不同葉素上的切向力和法向力，從而完成對的空氣動力荷載分析。對于重力和的離心力荷載分析，可以按照：

展開積分，從而得到重力剪力、拉力情況，從而有效明確的三旋翼結構基本情況，且得到入流分布的對氣動載荷具有顯著影響，且可以證明變螺距旋翼與普通旋翼組合氣動載荷計算模型的正確性。

在具體三旋翼結構控制裝置的設計中可以選擇模糊的PID控制和的LQG控制兩種方式，從而有效的對飛行器運行狀況進行控制，保障飛行器的功能。

3 結語

分析三旋翼結構飛行器的基本情況，對基于牛頓歐拉法建立6自由度非線性模型展開分析，再解讀分析旋翼入流分布對氣動載荷模型的影響，選擇的PID控制和LQG控制，實現對控制器的構建。

參考文獻

[1]李堯.四旋翼飛行器控制系統設計[D].大連理工大學，2013.

[2]陳增強，王辰璐，李毅，等.基于積分滑模的四旋翼飛行器控制系統設計[J].系統仿真學報，2015，27（9）：2181-2186.

（作者單位：北京理工大學珠海學院）