六个直升机旋翼无人机动力学和控制:理论和仿真

阿布¹,Abhinandan Tripathi²

研究生,电子和通信工程,韩国汉阳大学
本科学生,机械工程,印度理工学院,印度

文摘

的动力学模型,提出了一个原始six-rotor。直升机是由六个转子固定螺距螺旋桨;六个转子排列三反向旋转抵消对安装在顶点的三角形框架,反向旋转的旋转叶片的匹配集。微分推力从这些三个等距的点让直升机能够快速和精确的操纵。欧拉方法是用于获得的动力学模型。经典的线性反馈控制和非线性控制策略提出了控制。向前滚动和位移控制通过使用嵌套饱和控制律。音高和横向位移以类似的方式控制。

关键字

直升机,Mini-rotorcraft、非线性控制、3点6转子(3 p-mav6)。

介绍

自治mini-aerial车辆证明大量的民用和军事应用的实用程序。改善现有的飞行汽车的功能需要来自不同的学科包括航空、电子、信号处理、计算机科学等类似于经典的直升机,无人机应该能够执行悬停以及向前飞行。一个三点six-rotor飞行器(3 p-mav6)是一个有趣的替代经典的直升机。3 p-mav6比直升机机械简单,因为它已经与定螺距螺旋桨和不需要旋转斜盘。3因此p-mav6维护简单的比经典的直升机。

针对对微型无人机的发展,研究了几种不同的航空动力配置[1 - 4]。本文聚焦于一个multi-rotor旋翼飞机有六个转子固定螺距螺旋桨和不旋转斜盘。创新设计有三个反向旋转抵消对安装在一个等边三角形的顶点。很明显的一个优势3 p-mav6对四旋翼直升机和古典的抵消布局双打推力不增加足迹的大小,和自然消除了由于转矩补偿效率的损失。同轴安装的转子确保单点力矩平衡。此外,如果一个发动机故障,其同轴counter-pair减轻风险的存在并确保安全着陆。

工作提出了关注six-rotor飞行器制造实验室这是捏造的。三个上下转子顺时针方向旋转三个在相反的方向。转子的角速度可以调整,以达到所需的卷,俯仰和偏航。

3 p-mav6的特性

下面的插图描绘了在广义控制方法。图(1)。运动产生的力fi我正比于角速度的平方,fi = kωi 2, k是螺旋桨的推力系数。因为每个电机在一个固定的方向,产生力fi总是正的。个人的主要推力和推力的发动机。

的俯仰和滚转矩是功能不同的推力和偏航力矩之和τM1 +τM2 +τM3 +τM4 +τM5 +τM6,其中τMi是反作用扭矩电机我由于轴加速度和叶片的阻力。利用牛顿第二定律和忽略轴摩擦,IMi 2 1 =−bωi 2 +τMi,在那里我是第i个电动机的角动量和b > 0是一个常数。在稳定状态,也就是说,当一个,偏航力矩

下列运动可以保持完成总推力,u常数。

答:辊运动:

辊运动是达到使用横向电机。它可以通过增加(M1, M2)速度和减少的速度同时(M5, M6)。图(3)

b .音高运动:

音高运动是达到使用微分前后发动机推力。它是通过增加的速度(M3, M4)和减少的速度(M1, M2)和(M5, M6)同时进行。图(2)

c .偏航运动:

偏航运动是通过增加顶部的转矩马达,τM1,τM3τM5,分别虽然减少了转矩马达底部,τM2,τM4τM6。图(4)

d .前进运动:

前进运动获得了投手。这个运动是通过增加后方汽车的速度(M3, M4)同样,同时减少前面汽车的速度(M1, M2)和(M5, M6)。类似地,向后运动也可以实现。图(2)

的动力学模型

本节介绍了动力学模型3 p-mav6使用欧拉方法。下面是一个运动方程的推导rotor-craft刚体假设它是一个不断发展的在三维空间受到重力,推力部队和反应螺旋桨产生的力矩。六个电动机的动态快速,因此,被忽视。风扰动和变螺距螺旋桨有效与自由流速度的变化观察到螺旋桨(由于车辆平移和旋转)也被忽视。描述旋翼飞机的广义坐标位置和姿态

ξ= (x, y, z)∈R3表示旋翼飞机的重心的位置相对于固定惯性坐标系和η=(ψ,θ,)∈R3are三个欧拉角。Ψz轴周围的偏航角;θ是周围的螺旋角修改轴和周围的横摇角修改z轴代表旋翼飞机的方向。模型现在分为旋转,平移坐标,分别。

平动动能的旋翼机是由,

在那里,m表示旋翼飞机的质量。旋转动能KErot =(1/2)ωTIω角速度ω,我是惯性矩阵。角速度向量体内ω解决固定架与广义速度一个¯¨(在该地区的欧拉角是有效的)的运动关系

这里J =(η)是完整的旋翼旋转动能的惯性矩阵表示的广义坐标η。重力势能是由

完整的旋翼动力学模型从欧拉方程与外部获得广义力F如下:

哪里Fξ∈R3平移力应用于旋翼飞机是由于主要推力控制输入,R3代表广义的时刻即偏航、俯仰和滚的时刻。旋翼机的受力对身体表达框架可以写成

为简单起见,cθsθ表示cosθsinθ,分别。广义的时刻用η变量

l1、l2和l3是显示在图1的距离

拉格朗日以来不含交叉项的动能,结合和,欧拉方程的动力学可以分割成平移ξ坐标和旋转η动力学。所以,它遵循

C是科里奥利的术语,其中包含陀螺和离心条件,与j .最后的依赖,旋翼的动力学模型表示为

控制策略

本节介绍了控制策略稳定3 p-mav6当操作在盘旋。控制器综合监测和调节每个州以顺序的方式使用优先级规则如下。我们首先稳定旋翼飞机的高度使用主要推力“u”。接下来我们稳定偏航角,然后我们控制横摇角和y位移最后螺距角θ和x位移是监管。

所提出的控制策略是简单的实现和优化。实验设置的四个独立控制的输入可以在手动和自动模式操作。为了安全的飞行,这个功能实现控制策略时尤为重要。转子工艺可在半自动模式下,飞行员控制坐标,方向稳定任务控制律。

约,每个控制输入可以用来控制一个或两个自由度如下:控制输入u主要用来达到想要的高度。控制输入用于设置偏航位移为零。用于控制横摇角和水平位移沿y方向,同样是用来控制螺距和水平运动轴。从方程(25)

答:高度控制

垂直位移沿z是迫使高度满足的动力学控制的线性系统。因此,可以使用下面的控制输入

控制器确保zz和0 1 d。控制参数az1和az2应该精心挑选,以确保一个稳定和阻尼响应的旋翼机。

b .偏航角控制

类似于高度控制方法用于控制偏航角ψ。这里也是一个比例微分(PD)控制器使用。控制偏航角,我们集

tri-copter控制输入受到物理约束和实用,汽车的最大电压是由输入电压限制的。

因此,我们使用[6]中所开发的控制策略。[6]中所开发的嵌套饱和技术可以成倍增长稳定和有界输入一连串的集成商。饱和函数的振幅可以选择在这样一个

仿真结果

提出了非线性控制策略已经在MATLAB模拟。rotor-craft最初在(0,0,0,0,0,0)。最后的统筹分配(15年,20年,30,0,0,0)。结果表明,物理角度收敛到零,旋翼飞机到达目的地在有限时间图(5)所示。

结论

小说Tri-copter图(6),提供了几个优势在古典直升机和四转子被提出了。本文提出了一个非tricopter使用欧拉方法的线性动态模型。提出了一个非线性控制器基于嵌套饱和技术。

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