混合动力四旋翼小型无人直升机驱动机理与飞行控制方法研究

四旋翼小型直升机具有结构简单、易携易拆易装易控等独特优点，成为小型无人直升机研究的热点。项目前期分别对电驱和多燃油发动机驱动四旋翼小型无人直升机进行研究，发现了制约四旋翼小型直升机发展的关键问题，本项目针对这些关键问题开展研究，探讨通过对燃油发电机结合机载锂电池混合驱动方法、电机一体化式变总矩控制方法以及混合驱动变总矩四旋翼小型无人直升机自适应自主飞行控制方法的研究来解决这些问题。内容主要包括：1)研究燃油发电机和机载锂电池混合驱动四旋翼小型直升机的机理；2)在已研究成功的大功率电机上探索完善一体化式复合变总矩控制方法；3)研究设计四旋翼小型无人直升机自适应自主飞行控制方法。项目从能源供给、多旋翼机叶片控制及自主控制算法等方面研究探索解决四旋翼小型直升机发展的关键性问题，通过研究燃油发电机和机载锂电池混合驱动四旋翼小型直升机的机理和控制方法，也为其它类小型特种飞行器研究提供新思路。

无人飞行器在民用、军事等领域的广泛应用，促进了无人自主飞行器的研究。与传统直升机性比，四旋翼小型直升机具有结构简单、易携、易拆、易装、易控、抗干扰能力强等特点，成为小型直升机研究的热点。然而四旋翼小型直升机由多个电机需要同时驱动，因此多采用电驱方式，而四个电机同时驱动要求电池容量较高，且质量较轻，因此电池容量以及容质比制约其滞空时间；其次由于各旋翼升力均通过转速控制，这样转速变化时，会带来响应滞后等问题，会影响其系统响应速度，因此会对稳定性带来影响；再次，由于四旋翼小型直升机实现无人飞行，飞行环境变化会对飞行控制器提出要求，需要具有强鲁棒性的飞行控制算法，这三个问题是制约四旋翼小型直升机发展的三个关键问题。项目针对这些问题展开研究，提出了通过燃油发电机结合机载锂电池混合驱动方法来增大四旋翼小型直升机的滞空时间，若用多个发动机同时驱动四个旋翼，则振动很大，实验证明飞机几乎无法飞行；而若用单个发动机驱动又由于传动复杂几乎无法实现；为此，我们提出研究燃油发电机直接驱动、以燃油发电机对机载锂电池在线充电后用电池驱动，以及燃油发电机与机载锂电池分时混合驱动四旋翼小型直升机的驱动方式，发现这三种方法均可实现单独驱动，因此该混合驱动方式可以延长四旋翼小型直升机的滞空时间。通过四旋翼小型直升机自适应自主飞行控制方法来稳定控制飞行姿态并且达到轨迹跟踪控制的目的，通过牛顿欧拉方程以及拉格朗日方程等对小飞机进行建模，设计基于模型的控制器，通过仿真及实验方法实现了准确姿态控制以及位置跟踪，演绎了四旋翼小型直升机悬停控制算法、神经网络自适应自主飞行控制方法、动态逆飞行控制算法，以及混合逆飞行控制算法，并且通过试飞实验验证了这些方法的有效性，研究发现各种方法均能够实现自主飞行，但是都存在各自的缺陷。再次，通过变总矩控制的方式来达到稳定控制的目的，研究了变总矩结构单旋翼驱动方式，通过所设计的非标电机在室内飞行试验中验证了变总矩四旋翼小型直升机的可控性，发现较之固定总矩控制方法，控制解算复杂，响应速度加快，但是原系统效果相差不大，而增加了飞行重量。项目从多方面研究探索了四旋翼小型直升机发展的关键性问题，对燃油发电机和机载锂电池混合驱动四旋翼小型直升机的机理和控制方法以及变总矩的控制方法的研究，具有一定的创新性，尤其是混合驱动方法以及多种控制方法的实现也为其它类小型特种飞行器研究提供新思路。