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多旋翼无人飞行器必要建模因素

万佳 刘洪 王福新

万佳, 刘洪, 王福新等 . 多旋翼无人飞行器必要建模因素[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1072-1079. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0481
引用本文: 万佳, 刘洪, 王福新等 . 多旋翼无人飞行器必要建模因素[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1072-1079. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0481
WAN Jia, LIU Hong, WANG Fuxinet al. Imperative modeling elements for multi-rotor unmanned aerial vehicles[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1072-1079. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0481(in Chinese)
Citation: WAN Jia, LIU Hong, WANG Fuxinet al. Imperative modeling elements for multi-rotor unmanned aerial vehicles[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1072-1079. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0481(in Chinese)

多旋翼无人飞行器必要建模因素

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0481
详细信息
    作者简介:

    万佳, 男, 博士。主要研究方向:旋翼飞行器设计、飞行力学

    刘洪, 男, 教授。主要研究方向:空气动力学、飞行器设计

    通讯作者:

    刘洪, E-mail:hongliu@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V212.4

Imperative modeling elements for multi-rotor unmanned aerial vehicles

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  • 摘要:

    近年来多旋翼无人飞行器(UAV)成为了小型无人飞行器发展的热门领域,而学界对于多旋翼飞行器飞行力学建模与飞行力学特性分析的研究还相对较少。针对相关研究需求,基于传统旋翼模型,建立了适用于多旋翼无人飞行器的飞行力学模型,并利用此模型对多旋翼无人飞行器悬停模态特性进行了初步分析,结果显示多旋翼飞行器模态稳定性明显弱于传统直升机,且横向Phugoid模态取代了荷兰滚模态。随后利用弱耦合系统理论与纵向模态简化模型,对多旋翼建模过程中的旋翼旋转自由度(DOF)动态特性、入流模型和旋翼气动力矩的建模必要性进行了研究。分析表明,旋翼旋转自由度的动态特性在飞控增稳条件下对全机特性有着重要影响,入流分布对刚性旋翼的俯仰、滚转气动力矩有着决定性作用,而旋翼气动力矩是决定多旋翼悬停模态的重要因素,这三者在多旋翼建模分析中不能忽略。

     

  • 图 1  算例四旋翼无人飞行器

    Figure 1.  Study case of quad-rotor UAV

    图 2  线化模型扰动响应

    Figure 2.  Responses of linearized mode to state perturbation

    图 3  前飞状态桨盘入流分布示意图

    Figure 3.  Sketch map of inflow distribution on rotor disk in forward flight

    表  1  四旋翼无人飞行器总体参数

    Table  1.   Main parameters of quad-rotor UAV

    设计参数 数值
    起飞质量/kg 5
    布局形式 X4布局
    总功率/W 2 000
    旋翼直径/m 0.457 2
    旋翼轴距/m 0.85
    最大速度/(m·s-1) 20
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    表  2  算例悬停模态对比

    Table  2.   Comparison of hovering modes between two study cases

    四旋翼无人飞行器 Bo-105
    模态 特征值 模态 特征值
    俯仰收敛 -1.699 俯仰收敛 -5.449
    滚转收敛 -1.699 滚转收敛 -17.14
    Phugoid 0.550 6+1.259 2i Phugoid 0.264 9+0.474 9i
    横向Phugoid 0.550 6+1.259 2i 荷兰滚 -0.274 8+0.559 4i
    沉浮收敛 -0.500 2 沉浮收敛 -0.419 3
    螺旋 -0.033 5 螺旋 -0.284 0
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    表  3  无增稳全系统与近似系统部分模态对比

    Table  3.   Comparison of some modes between entire system and approximate system without stability augmentation

    模态 特征值
    全系统 近似系统
    俯仰收敛 -1.725 9 -1.698 9
    Phugoid 0.553 9+1.266i 0.550 6+1.259i
    沉浮收敛 -0.513 7 -0.500 2
    螺旋 -0.033 52 -0.033 52
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    表  4  有增稳全系统与近似系统部分模态对比

    Table  4.   Comparison of some modes between entire system and approximate system with stability augmentation

    模态 特征值
    全系统 近似系统
    俯仰收敛 -2.168+0.901 6i -1.978
    Phugoid -0.094 19+1.540i -0.095 52+1.283i
    沉浮收敛 -2.209+0.299 2i -1.239
    螺旋 -0.117 7 -0.115 4
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    表  5  算例俯仰模态与稳定性导数

    Table  5.   Pitch mode and stability derivatives of study case

    气动导数/模态 特征值
    四旋翼无人飞行器 Bo-105
    Xu -0.032 71 -0.024 29
    Mu 0.327 5 0.130 5
    Mq -0.564 9 -4.763
    Phugoid模态 0.550 6+1.259i 0.015 48+0.514 4i
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-04
  • 录用日期:  2016-07-01
  • 网络出版日期:  2017-06-20

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