单旋翼碟形飞行器动力学及反馈控制理论研究

固定旋翼无人飞行器领域中，共轴双旋翼飞行器具有结构上的紧凑性、飞行动作上的灵活性和姿态控制上的稳定性等优点。但它是以复杂机械系统为代价的设计，同时高速旋转的旋翼对操作人员是致命的威胁。本项目将重点考虑结构简易性、安全性、飞行器本身生的存能力，引入空中平台的概念，提出一种适合于反恐侦察等特殊应用环境的单旋翼碟形飞行器。.单旋翼碟形飞行器的核心理论，目前尚处于探索阶段阶。由于旋翼产生的反扭矩使飞行器被动旋转的问题和空气流在舵机系统表面上的复杂作用力问题，因此至今被保留为一个开放问题。具体针对如何确立飞行器参数设计标准、高空中如何保持稳定的悬停、在航行或起降过程中如何保持姿态稳定性等理论问题，以涵道空气动力学和飞行动力学分离建模、解析相互之间存在的耦合现象为基础，提出了基于动力学分割的自适应反控制设计方法。

在本课题中提出了一种新结构的涵道飞行器，飞行器的姿态稳定装置是由四个旋转的空心圆筒结构构成，这四个空心圆筒呈十字的对称结构安装在涵道飞行器的底部，利用马格纳斯效应产生控制力矩。涵道飞行器飞行时空心圆筒的旋转及螺旋桨的下洗气流会产生马格纳斯效应进而产生马格纳斯力，利用该力可以对无人涵道飞行器进行姿态稳定。本课题首先对该结构的无人涵道飞行器进行空气动力学分析由于涵道飞行器内部有强烈的耦合作用，仿真时采用了滑移网格方法。在空气动力学分析的基础上对涵道飞行器进行结构优化，在结构优化过程中采用了响应面方法及遗传算法。对于涵道无人飞行器来说，一个普遍存在的问题是，俯仰（横滚）前向运动对偏航运动高度敏感。控制舵需要能够自动调整的气动升力，以维持俯仰前向运动的稳定性。出于这个目的，我们提出了一种基于整体飞行动力学的控制舵控制器和位置姿态控制器设计方法。马格纳斯效应测量分析试验台的研制，利用该试验平台，分别在风速不同，转筒轮转速不同的情况下，进行试验，得到相应的数据曲线，并与仿真数值进行比对，为优化涵道无人机的控制系统提供了数据参考。并进行了涵道飞行器的试验搭建及飞行试验。