超小型固定翼飞行机器人垂直起降飞行机理与控制研究

研究超小型固定翼飞行机器人的垂直起降飞行的飞行机理和控制方法。常规的定翼机起飞降落需要一定的场地，从而限制了其在崎岖、狭窄、载体移动等场合下的应用。本项目提出的垂直起降超小型固定翼飞行机器人保留了定翼机所具有的巡航飞行范围广、飞行速度高、成本低等优点的同时，还能能像直升机一样垂直起落和悬停。这种飞行机器人的关键问题在于垂直起降飞行（包括起飞、垂直到水平的过渡、水平飞行、水平到垂直的过渡、悬停和降落）的实现机理以及其控制方法。本项目围绕超小型尾坐式固定翼飞行器的垂直起降飞行问题，研究该飞行器的结构优化，建立各种飞行模态下飞行器的动力学和运动学模型，分析其运动特性，掌握其垂直起降飞行运动控制与导航方法，并在软件仿真和地面试验的基础上，通过样机任务飞行试验来验证、演示这些研究成果，为垂直起降无人定翼飞行器系统的研究和发展提供理论基础和技术储备。

本项目对超小型固定翼飞行机器人的垂直起降飞行的飞行机理和控制方法开展了深入的研究。本项目提出的垂直起降超小型固定翼飞行机器人保留了定翼机所具有的巡航飞行范围广、飞行速度高、成本低等优点的同时，还能能像直升机一样垂直起落和悬停。这种飞行机器人的关键问题在于垂直起降飞行（包括起飞、垂直到水平的过渡、水平飞行、水平到垂直的过渡、悬停和降落）的实现机理以及其控制方法。围绕这一关键问题，本项目首先研了该飞行机器人的结构设计问题。对所设计的飞行机器人采用Fluent软件进行了CFD数值模拟，并对模拟结果进行了分析。然后基于气动和结构学科进行了多学科设计优化，优化结果表明，升阻比提高了6%，机翼结构重量下降了近15%。对优化设计结果进行了结构振动模态分析，得出了该飞行器的10阶振型。对该飞行器进行了飞行运动建模并基于Matlab进行了垂直起降飞行运动仿真，仿真结果表明该尾坐式无人定翼机飞行模式切换的可行性。对低成本MEMS惯性传感器进行信息融合，研究并设计了面向超小型无人飞行机器人的航姿参考系统，测试表明其定姿定向均方误差在0.5度以内。然后设计了该机器人的飞行控制策略，并设计了其飞行控制测控电路，并制作了其原理样机。在此基础上，通过设计该飞行机器人的飞控与导航系统硬件、软件与地面站，并进行样机任务飞行试验，验证了研究成果的正确性与有效性，为垂直起降无人定翼飞行器系统的研究和发展提供了理论基础和技术储备。