背景介紹

隨著無人機應用范圍的日益廣泛，傳統多旋翼無人機一個嚴重短板愈發明顯地顯現出來——安全問題。當傳統多旋翼動力完全失效，幾乎沒有辦法對其進行操縱，只能任其下落，是很大的安全隱患。

四旋翼撞向汽車

(https://www.farmers.com/learn/insurance-questions/hit-by-a-drone/)

我們介紹一種新型無人機——升力翼多旋翼，這種機型同時具有四旋翼和固定翼的結構，兼具低速高機動和高效率長航程的特點，由于其具備氣動外形與可控舵面，可以很好地面對動力完全失效的情況。本畢設的工作就是通過控制升力翼多旋翼的氣動舵面，在飛行器飛行過程中動力完全失效時使其安全降落。下圖為畢設研究對象的實物模型：

升力翼多旋翼

問題分析

我們面臨的目標是將飛行器著陸時的垂直方向速率控制在安全范圍內（2m/s），問題從宏觀上可以分為：用怎樣的方案迫降以及如何控制。期望效果為類似于鳥類滑翔，平緩著陸。

鳥類著陸

需要說明的是，飛行器動力完全失效指的是所有螺旋槳完全停轉，但飛控、傳感器和舵機等仍然工作正常。

解決方案

一、迫降策略

迫降策略上我們采用三段式迫降，示意圖如下。過渡段將動力失效時的狀態調整到穩定狀態，與平衡段銜接；平衡段受力平衡，勻速運動，調整高度。分為滑翔與盤旋兩種策略；拉平段在安全范圍內不斷增大迎角，使升力分量大于重力實現減速著陸。

迫降策略

二、迫降控制

1.滑翔策略與控制

通過理論與仿真的分析，決定對過渡段與下滑段采用常值攻角指令控制，控制量由受力平衡方程組解出。但考慮到攻角測量在實際系統中易受干擾、誤差大，又將常值攻角指令換為等價的俯仰角指令控制。這個控制建立在俯仰角保持與控制器的基礎上。

過渡與下滑仿真效果

2.盤旋策略與控制

盤旋策略用于應對初始高度過高的情況，避免下滑距離過長，減小迫降軌跡的水平范圍。與下滑策略一樣，由穩定盤旋的約束條件解出平衡態狀態量，依此對姿態進行控制。仿真效果如下：

過渡與盤旋仿真效果

 

3.拉平段控制

拉平段采用指數拉平方式，控制結構圖下：

 

拉平控制框圖

方案效果

利用實驗室的仿真環境（用到RFlySim3D和CopterSim）對方案進行綜合仿真的視景顯示。

一、下滑策略

仿真條件和結果如下：

初始值
末態值

三維效果如下：

滑翔策略綜合仿真效果

二、盤旋策略

仿真條件和結果如下：

初始值
末態值

三維效果如下：

盤旋策略綜合仿真效果

 

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本人在北航可靠性飛行控制研究組完成本科畢業設計。本文節選于 “   曾單 . 升力翼多旋翼無動力飛行分析及迫降控制 [D] 北京航空航天大學本科學位論文，北京。”

源自：可靠飛行控制研究組