一种关于三旋翼结构的控制装置

黄嘉豪 吴杰章 黄科超

摘 要：三轴式无人旋翼飞行器控制装置，由两个普通旋翼和一个可变螺距旋翼组成，各旋翼由三相直流电机直接驱动，只需调节各电机转速与可变旋翼螺距就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使变螺距三旋翼无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证，采用牛顿欧拉法建立6自由度非线性模型进行分析，运用叶素动量理论建立载荷计算方法推论旋翼入流分布对气动载荷模型的影响，通过实践验证可变螺距旋翼与普通旋翼组合气动载荷计算模型的正确性。

关键词：三轴式无人旋翼飞行器；控制装置；自由度

随着科技水平的快速发展，人力资源被放到更重要的社会地位和军事地位。危险的、肮脏的、枯燥长时的军事任务和救援任务，无人机能保障任务人员安全、有效地将其完成。对应不同的任务载荷，低成本、高效益的无人机能完成更多的规划任务，被广泛应用于近年的军事领域和民用领域。因此无人机产业频繁亮相在各大新闻报道和国内外科技展会中，航空类、电子类高校纷纷开设相关专业课程并相互探讨，无人机科技及其产业得到空前的发展。

1 国内外研究状况

1.1 变螺距三旋翼无人旋翼飞行器自旋问题研究

自旋是指其在水平或垂直复合运动时，由于旋翼间产生的反扭矩未能相互抵消，飞机产生绕yaw轴转动的现象。借鉴四旋翼的悬停原理：轴向对称旋翼相互反方向旋转而抵消产生的扭矩，同时，本无人机利用尾部的变螺距旋翼，控制偏航舵面（yaw），通过适当调整ccpm十字盘角度来抵消自身的反扭矩而保持航向。

1.2 三旋翼结构控制难点

三旋翼结构的飞行器在三维空间坐标中，可以实现6自由度姿态动作。为了实现的这些姿态的动作，需要对轴上的3个的电机转速进行调整，从而完成对三旋翼结构飞行器的姿态调整，由此可得三旋翼结构飞行器属于的欠驱动系统。而欠驱动系统具有其显著的特点，即为系统的控制输入箱梁构成的矩阵空间维数比输出量构成的空间維数少。针对欠驱动系统的控制，必须由较少的控制输入的完成对的更大空间维数内的姿态控制，且直接激励自由度控制与欠驱动自动度之间的关系的非线性耦合关系。

2 三旋翼结构控制装置设计

2.1 力矩分析

为完成对三旋翼结构飞行器的姿态控制，需展开相关模型的建立，可以选择牛顿欧拉法建立6自由度非线性模型进行分析。但在此之前，需展开的对旋翼的力矩分析。如下图1所示为电机M1、M2、M3产生的上升力。

根据上图的基本情况，选取俯视图展开力矩分析，从而得到3个的电机的每个的电机产生扭转力之间的关系：

3f1=3f2=f3

且得到f1、f2、f3为转轴切线方扭转力，F1、F2、F3为电机提供的上升力，L1、L2是F1、F2到支点O的距离，L3是F3到重心的距离，L4为重心到的支点O的距离。且得到三旋翼结构飞行器的在X、Y、Z轴上的受力矩阵为τ：

2.2 建模

在完成对的基本力矩分析后，选择牛顿欧拉法建立6 自由度非线性模型，具体的动力学模型方程为：

其中I表示的三旋翼结构的重心到每个的螺旋桨中心位置的臂长，IK是的对应轴的转动惯量。由此，得到基于牛顿欧拉法建立6自由度非线性模型，完成对三旋翼结构的最终动力模型的确定。

2.3 分析旋翼入流分布对气动载荷模型的影响

选取叶素动量理论构建荷载计算方法，完成对旋翼入流分布对气动载荷模型的影响的分析。先分析的叶素速度矢量图，再对叶素受力示意图展开分析，从而得到的具体的合成气流速度V0，叶素处入流角φ，攻角α，可以得到叶素r处dr微段的轴向推力和扭矩，结合扭矩和功率，可以得到完整的荷载计算方程：

其中a，b分别为轴向诱导因子和周向诱导因子。如上为叶素动量理论的基本概念，在具体的荷载计算中，可结合十MATLAB完成对叶素轴向、切向因子数据分析，得到的局部速度比与轴向、切向因子的关系。再分析不同叶素上的切向力和法向力，从而完成对的空气动力荷载分析。对于重力和的离心力荷载分析，可以按照：

展开积分，从而得到重力剪力、拉力情况，从而有效明确的三旋翼结构基本情况，且得到入流分布的对气动载荷具有显著影响，且可以证明变螺距旋翼与普通旋翼组合气动载荷计算模型的正确性。

在具体三旋翼结构控制装置的设计中可以选择模糊的PID控制和的LQG控制两种方式，从而有效的对飞行器运行状况进行控制，保障飞行器的功能。

3 结语

分析三旋翼结构飞行器的基本情况，对基于牛顿欧拉法建立6自由度非线性模型展开分析，再解读分析旋翼入流分布对气动载荷模型的影响，选择的PID控制和LQG控制，实现对控制器的构建。

参考文献

[1]李尧.四旋翼飞行器控制系统设计[D].大连理工大学，2013.

[2]陈增强，王辰璐，李毅，等.基于积分滑模的四旋翼飞行器控制系统设计[J].系统仿真学报，2015，27（9）：2181-2186.

（作者单位：北京理工大学珠海学院）