变桨四旋翼飞行器倒置飞行的建模与控制
系统与控制
2017-09-20 v1
摘要
本文对带有变桨距螺旋桨的四旋翼飞行器进行了数学建模、仿真和控制律设计。使用变桨距螺旋桨通过改变桨距来调节推力，而非通过调节转速（RPM），有助于产生负推力，从而提高推力变化率，使其易于进行剧烈机动。本文利用叶素理论与动量理论来估算螺旋桨的推力和扭矩，这对于建立飞行器的运动方程至关重要。所提出的飞行动力学模型用于基于动态逆技术的非线性控制设计，进而用于稳定、跟踪参考轨迹以及仿真翻滚机动。旋翼扭矩是控制输入的无理函数，这使得控制设计具有挑战性。为了解决这一问题，控制设计采用了三个回路。外环求解平动动力学，以生成跟踪预定轨迹所需的推力、俯仰角和滚转角指令。利用外环生成的指令，内环简化转动动力学以提供期望的角速度。控制分配回路用于解决与旋翼扭矩相关的非线性问题。这是通过引入推力系数的导数作为虚拟控制输入来实现的。这些虚拟输入决定了推力和机体力矩的导数，进而用于生成所需的推力和机体力矩。通过在变桨距四旋翼飞行器的实际飞行中展示姿态稳定，验证了该概念。通过姿态稳定和轨迹跟踪的仿真结果展示了所设计控制的性能。通过执行滚转角从 0 度变为 180 度的翻滚机动，还展示了变桨距四旋翼飞行器的反向推力能力。
引用
@article{arxiv.1709.06407,
title = {Modeling and Control of Inverted Flight of a Variable-Pitch Quadrotor},
author = {Namrata Gupta and Mangal Kothari and Abhishek},
journal= {arXiv preprint arXiv:1709.06407},
year = {2017}
}