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1、北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品可折叠四旋翼高机动飞行器键入文档副标题38071405 宋贺腾2011/3/30可折叠四旋翼高机动飞行器摘要四旋翼直升机这个概念已经出现很久了。近年来，四旋翼直升机又引起了人们极大的兴趣。与其他类型的飞行器相比，四旋翼直升机在实现静态飞行上具有明显的优势，无论是在无人监视还是在研究和营救应用中都有应用前景。但是它的续航能力差，不能持续飞行到达较远的目的地，且携带不便，导致了许多的局限性，故主要对其进行结构改装设计，以实现“抛射”，实现机翼的可折叠，从而解决此类问题。关键词：四旋翼直升机；续航；可折叠；抛射The Quadrotor concept
2、 has been around for a long time. The great interest for Quadrotor has grown in the recent years. Compared with other types of aircraft,four-rotor helicopter has obviousadvantages in realizing static flight.The four-rotor helicopter will be used inunmanned surveillance,research,rescue applications a
3、nd so on.But its life ability is poor, cannot reach sustained flight far destination, and carry inconvenience caused many limitations, so major design of its structure, in order to realize aerosol propellant and realize the folding wings, so as to solve such problem.Keywords four-rotor helicopter；li
4、fe ability；folding；aerosol propellant四旋翼直升机，国外又称Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等等，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。首先,四旋翼直升机是一种六自由度的垂直起降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行;但是,从另一 方面来说,四旋翼直升机有四个输入力,同时却有六个输出,所以它又是一 种欠驱动系统(欠驱动系统是指少输入多输出系统
5、)。通常的旋翼式直升机具有倾角可以变化的螺旋桨,而四旋翼直升机与此不同,它的前后和左右两组螺旋桨的转动方向相反,并且通过改变螺旋桨速度来改变升力,进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。但是,由于四旋翼直升机是通过改变螺旋桨速度实现升力变化的,这样会导致其动力不稳定,所以就需要能够确保长期稳定的控制方法。四旋翼直升机的动作是通过改变四个螺旋桨产生的升力来控制的。传统的 旋翼式直升机通过改变螺旋桨的旋转速度,叶片攻击角(倾斜角)和叶片轮列角,从而既可以调整升力的大小又可以调整升力的方向。与传统的旋翼式直升机不同,四旋翼直升机只能够通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。尽管四旋翼直升机的螺旋桨倾角是固定的
6、,但是由于螺旋桨是用弹性材料制成的,因此可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾角。总之,升力是四个螺旋桨速度的合成效应,而旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异效应引起的。四旋翼直升机通过平衡四个螺旋桨产生的力来实现稳定的盘旋以及精确飞 行。单个螺旋桨的旋翼式直升机(同时具有一个用于抵消感应力矩的尾部螺旋桨)在室内环境下飞行是非常危险的，因为裸露的螺旋桨叶片很可能会碰到某些周围的物体，并因此导致旋翼式直升机的坠毁。此外，即使是富有经验的飞行员也很难使这样的直升机靠近建筑物。而四旋翼直升机之所以具有这么大的吸引力，是因为相对于一般的单螺旋旋翼式直升机它可以采用更小的螺旋桨，进而使飞行变得更加安全，不至于
7、使裸露在外面的螺旋桨刮到周围物体而坠毁。此外，四个螺旋桨产生的推力较单个螺旋桨产生的推力能更好的实现飞行器的静态盘旋.。四旋翼直升机是一种由四个输入力产生 6 个自由度方向运动的欠驱动旋翼式直升机。它是一种依靠动力学的飞行器，并且产生反运动的力也很小。同时，四螺旋浆直升机具有高度耦合的动特性；一个螺旋桨速度的改变将导致至少3个自由度方向上的运动。例如，减小右面螺旋桨的速度将会导致直升机向右滚动，因为左右升力出现了不平衡；同时也会导致直升机向右偏航，因为左右为一组的螺旋桨和前后为一组的螺旋桨产生的力矩出现了不平衡；此外，滚动又将会导致直升机向右的平移，因为此时螺旋桨的力是指向左方和下方的.。偏航
8、进一步的又会引起平移，从而改变了前进的方向。微型无人飞行器在未来的无人作战系统中将发挥巨大的作用，旋翼飞行器具有垂直起降、悬停和高机动等特性，在军事侦察和探测中具有重要的应用价值和意义。一种非共轴多旋翼飞行器，与旋翼直升机相比具有结构紧凑、效率高和机动性强灵活操控等特点。随着微机电技术（MEMS）、微惯导技术（MIMU）以及飞行控制技术的进步，四旋翼飞行器的研究和应用得到迅速发展，其低廉成本、卓越性能和独特飞行控制方式使其成为国际研究热点。它是一个六自由度垂直起降飞行器VTOL（Vertical Take Off and Landing），非常适合静态和准静态条件下飞行，突出优点是机动性强，可
9、灵活操控。四旋翼飞行器通过调节四个旋翼转速来控制飞行器的姿态和位置变化，是一个多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的系统，飞行控制系统设计比较复杂。项目特色：非共轴多旋翼垂直起降飞行器，具有超强的机动性和避障能力，能够广泛应用于军事侦察和任务执行。着眼于当前热门的无人自主控制系统研究，采用当前最先进的技术，具有很好的前景和科研价值;非共轴多旋翼垂直起降飞行，具有超强的机动性和避障能力，能够广泛应用于军事侦察和任务执行；可用于安保，空中拍摄，监视，取证；创新点：实现多旋翼垂直起降飞行器的位姿控制和自主起降悬停；旋翼可实现折叠收放，便于携带，可实现抛射；在各种场地起降所具有的广泛适用性；将来可应用于现
10、实生活当中；选题背景：微型无人飞行器在未来的无人作战系统中将发挥巨大的作用，旋翼飞行器具有垂直起降、悬停和高机动等特性，在军事侦察和探测中具有重要的应用价值和意义。四旋翼飞行器是一种非共轴多旋翼飞行器，与旋翼直升机相比具有结构紧凑、效率高和机动性强灵活操控等特点。随着微机电技术（MEMS）、微惯导技术（MIMU）以及飞行控制技术的进步，四旋翼飞行器的研究和应用得到迅速发展，其低廉成本、卓越性能和独特飞行控制方式使其成为国际研究热点。自主飞行控制系统是无人飞行器系统中的核心技术。自主飞行控制系统主要分为导航系统和飞行控制系统两个子系统。导航系统通过惯性单元、GPS和各种传感器获取飞行器的位置、速
11、度和姿态信息，通过滤波、信息融合和航姿解算得到有效的航姿信息。飞行控制系统利用导航系统获取的航姿信息作为输入，根据动力学模型设计出合适的控制器，采用高级的控制算法和智能决策实现飞行器的姿态和飞行制导的自主控制。研究内容：四旋翼飞行器是一个六自由度垂直起降飞行器VTOL（Vertical Take Off and Landing），非常适合静态和准静态条件下飞行，突出优点是机动性强，可灵活操控。四旋翼飞行器通过调节四个旋翼转速来控制飞行器的姿态和位置变化，是一个多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的系统，飞行控制系统设计比较复杂。本项目以四旋翼模型为结构平台，采用嵌入式技术设计实时高速且具有高鲁棒性
12、的飞行控制系统。通过建立四旋翼飞行器的动力学模型，进行仿真实验和飞行实验设计出合适的控制器，利用导航模块的航姿信息，实现飞行姿态控制和飞行导航控制。在实现可靠自主飞行基础上，采用高级控制算法和视觉位姿导航系统，实现四旋翼飞行器的自主起降悬停和高机动飞行。与旋翼直升机相比具有结构紧凑、效率高和机动性强灵活操控等特点。常见的四旋翼飞行器不可折叠，不便携带运输，结构复杂，此飞行器可实现四旋翼的结构折叠，实现携带方便，利于针对性“抛射”，进行侦查，拍摄，拟补续航能力差等的不足，四组支撑臂均可绕扣件连接轴实现上下转动，收拢，呈类似柱状体或其他形状，结构紧凑，体积小巧，便于携带运输。 参考文献：1王广雄.控制系统设计.宇航出版社.1991:117125.2詹志莉.基于回路成形的控制器设计.天津大学硕士学位论文.2005:410.3 工学硕士学位论文 四旋翼直升机控制问题研究 硕士研究生：李攀 哈尔滨工业大学7
