小型倾转四旋翼无人机控制系统设计与实现

本篇论文标题为《小型倾转四旋翼无人机控制系统设计》（DesignofControlSystemforSmall-sized QuadTiltRotorUAV），作者为张耀坤，毕业于哈尔滨工程大学自动化学院探测制导与控制技术专业，指导教师为程建华教授。论文针对倾转四旋翼无人机这一融合直升机和固定翼飞机优势的新型飞行器展开研究。 选题背景和意义部分强调了倾转四旋翼机的独特性，它凭借垂直起降、高航速、远航程、大运载量和强机动性等特点，具有广泛的应用潜力，特别是在军事和民用领域。然而，由于其特殊的结构和复杂的飞行模式，控制系统的安全高效倾转过渡成为一个关键挑战，是当前研究的热点。 论文主体部分首先介绍了硬件平台的设计。通过Solidworks软件，作者设计并评估了小型倾转四旋翼模型机的机械结构，涉及STM32F407微控制器、飞行参数测量传感器、电源模块和执行元件等组件，构建了一个完整的硬件系统。该系统被用作后续控制策略研发的基础。 在操控策略上，作者根据无人机的结构特性和倾转过程，划分了姿态变换、非负攻角加速和短舱倾转三个阶段，以实现直升机和固定翼模式间的平滑过渡。接着，运用牛顿经典力学理论，建立了无人机运动的简化数学模型，进一步设计出各飞行模式下的控制模型，以及系统其他元件的传递函数模型。经典控制理论被用来构建控制结构框图，并结合PID算法设计了控制律。 软件系统方面，论文在Keil编译环境下搭建了基于FreeRTOS的嵌入式操作系统，编写了相关的飞行控制任务代码，对软硬件系统进行了调试。通过这些设计，旨在实现倾转四旋翼无人机的安全、稳定和高效的飞行控制。 这篇论文深入探讨了小型倾转四旋翼无人机的控制系统设计，包括硬件平台的构建、飞行模式切换控制策略的制定、动力学建模与控制算法的开发，以及嵌入式软件系统的实现，展示了作者对该领域的深入理解和实践能力。