超小型飞行机器人新型变姿机理与控制研究

针对当前超小型飞行机器人的常规飞行器机型- - 固定翼和旋翼存在的问题，在分析多种新型飞行器技术的基础上，提出一种具有新型变姿机理-倾转式双涵道矢量推进原理的超小型飞行机器人，基于该变姿机理的超小型飞行机器人既可垂直起飞/降落，实现各种飞行状态，又具有更高的飞行效率和安全性，在城市等复杂环境中进行低空侦查、大气环境监测等领域有着广阔的应用前景。.为了实现上述超小型飞行机器人，首先，本项目拟采用多层优化设计的方法，综合考虑飞行器的气动、强度、刚度和重量等多方面因素，开展新型飞行器优化设计；然后，通过机理建模和系统辨识相结合的方法，对超小型飞行机器人的各种飞行状态进行研究，获得运动学/动力学模型；再次，针对各种飞行状态，设计具有强鲁棒性的超小型飞行机器人控制系统；最后，研发一套样机系统，以验证所提出理论的正确性。即本项目开展具有新型变姿机理的超小型飞行机器人的研究，促进我国机器人技术的发展。

目前，超小型无人机系统在许多领域已经有非常广泛的应用，形成产品化的超小型无人机系统主要有固定翼和旋翼两种结构形式，但是，固定无人机机动性能差，需要大的起飞场地，旋翼无人机操纵系统复杂，属于单一失效点系统，作业时非常危险，所以，上述两种机型都不适合在人群密集的城市中进行作业。.针对上述问题，本项目结合倾转旋翼机和涵道式风扇飞行器两者优点，提出具有新型变姿机理的超小型无人系统：倾转式双涵道超小型无人机系统，该无人机系统以涵道式风扇飞行器为主要的飞行动力来源，涵道式风扇飞行器对称分布在机身两侧，并具有倾转功能，该新型超小型无人机系统具有结构紧凑推进效率高、噪音低、隐蔽性好等特点。. 为了实现上述新型超小型无人机系统，首先，本项目基于进行飞行器强度优化设计、结构优化设计、气动优化设计等多层优化设计，并结合可采购材料的性能，采用三维软件设计了超小型无人机样机图纸，并基于该样机进行了超小型无人机新型变姿机理的分析。然后，以无人机的结构特点和变姿机理建立包含未知参数的滞空飞行状态下的超小型双涵道无人机姿态模型，采用子空间辨识方法，进行了系统滞空状态下的辨识仿真研究，获得完整的无人机系统姿态模型；然后，对超小型双涵道无人机的姿态控制系统进行了研究，采用了一种自抗扰解耦控制系统解决了超小型无人机的俯仰和横滚通道之间的姿态耦合性，提出了一种自适应模糊控制系统进行超小型无人机的姿态控制；在上述研究基础上，本项目利用陀螺仪、加速度计、磁力计和卫星导航系统进行自适应滤波信息融合，开发了面向超小型无人机的姿态和导航系统；最后，通过飞行试验，验证了本项目在新型无人机的机体设计、辨识建模、控制和导航等方面的研究成果。.通过本课题的研究，对双涵道倾转式超小型无人机进行深入的研究，在多个方面取得了一定的成果，对于促进无人机的发展，具有重要的理论意义和应用价值。.