【正文】 原因之后只能由國人自己去完成，進(jìn)過幾年的的奮斗，直到 60 年代國內(nèi)第一架嚴(yán)格意義上自己生產(chǎn)的新型無人機(jī)才正式飛上天空 。 無人機(jī) 是一種全新型概念性設(shè)備 ,通過在地面建設(shè)發(fā)射平臺(tái)來對無人機(jī)上裝有的接收裝置發(fā)射相應(yīng)要求信號，其在機(jī)身上核心芯片中有姿態(tài)調(diào)控、自我控制、信號收發(fā)、遙測信號、 GPS 等，通過這些 功能實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的無人操作和駕駛 。 多旋翼無人機(jī)和常規(guī)的飛機(jī)相比，大 大的減少了自身重量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高安全可靠性，和占用的空間，而且在制造成本上也相比 2 常規(guī)飛機(jī)所花費(fèi)的費(fèi)用更少，其在空中的不可視性得到很大提高， 適合用于遠(yuǎn)距離縱深性的戰(zhàn)略打擊和不利于人員到達(dá)的戰(zhàn)地。 隨著無人機(jī)的發(fā)展， 四十 年代 亞空間 巡航 亞音速 的新型式無人機(jī)得到應(yīng)用。 五十年代誕生了超高音速的無人機(jī) 。 六十 年代 在 微通信的進(jìn)步和控制理論的完善無人駕駛偵察機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。 無人機(jī)在許多行業(yè) 不斷被 使用 ，民間被用在了海拔測量、氣象監(jiān)測、森林監(jiān)控、資源探測；軍方用于偵察敵情、安全通信、深入敵后一擊制敵、空對地打擊；科研用于新型事物的試驗(yàn) 。 伴隨著無人機(jī)的市場的開發(fā)和擴(kuò)大，國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)和技術(shù)得到進(jìn)一步的提高，在商業(yè)市場不斷擴(kuò)大的趨勢下，無人機(jī)領(lǐng)域也在不斷壯大，一種全新的適用于民用軍事的新型概念機(jī)將誕生于世。 變結(jié)構(gòu)無人機(jī)的 前景 與未來 變結(jié)構(gòu)無人機(jī)的優(yōu)勢 本文討論的變結(jié)構(gòu)無人機(jī)解決了傳統(tǒng)的直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的兩大缺點(diǎn)，可以同時(shí)解決不受場地限制和空中靈活性的要求。 其中常規(guī)的固定翼飛機(jī)例如我們常說的噴氣式商用客機(jī)其需要很長的跑道和起飛動(dòng)能只有在速度達(dá)到一定程度上，飛機(jī)才能得到足夠的升力完成起飛過程，但是其也具有在空中飛行時(shí)間 長且在空中能保持穩(wěn)定飛行姿態(tài)和平穩(wěn)性 。 而對于常規(guī)的旋翼機(jī)也就是例如直升機(jī)，盡管在起飛中不需要占用較大的場地和動(dòng)能，但是在空中的姿態(tài)控制卻受到了很大的限制 。 20世紀(jì)開始，科研人員就發(fā)現(xiàn)了這一理論上的缺點(diǎn)希望能在這二者之間尋求平衡找到一種合理解決這二者矛盾體的方案。 隨著時(shí)間的推移，歷史決定了這一新型無人機(jī)的技術(shù)被應(yīng)用 。 這種概念型全新型無人機(jī)具備人們需要的兩大優(yōu)勢，還同時(shí)解決了人們再設(shè)計(jì)之初想要解決的難點(diǎn)。 目前這種變結(jié)構(gòu)無人機(jī)還處于科研階段，很多技術(shù)還處于研究階段，需要時(shí)間來完善它的設(shè)計(jì)。 變結(jié)構(gòu)無人機(jī)在國內(nèi) 的商 業(yè)市場 還處于 研制 階段 。 在于研究其理論可行性和方案的順利解決。目前國內(nèi)研究進(jìn)度都取得了顯著的進(jìn)步，南航在飛行過程空中力學(xué)模型建立和空中姿態(tài)控制等方面；西北大 學(xué) 在 變姿態(tài)控制 等；中航工業(yè)在過程階段空中傾轉(zhuǎn)控制規(guī)律等。其中，航空航天工業(yè)研究所推出了一款新概念無人機(jī)“藍(lán)鯨”旋翼機(jī)，尚還處于科研階段，沒有完全進(jìn)入市場投入應(yīng)用。 3 可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)無人機(jī) 它 結(jié)合了 直升機(jī) 和 噴氣式客機(jī) 的新概念型無人機(jī)。這種新型無人機(jī)兼具垂直起降的靈活性還具備高速可續(xù)航時(shí)的新型無人機(jī)，是未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭戰(zhàn)場重要的選擇之一。 之所以叫“可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)”式無 人機(jī)，就是因?yàn)檫@種新型無人機(jī)可以在空中依靠可變結(jié)構(gòu)的旋翼來實(shí)現(xiàn)在空中的飛行狀態(tài)改變即實(shí)現(xiàn)起降、航行、變姿態(tài)等飛行目的。 對于可以實(shí)現(xiàn)的常規(guī)方案中在增加的中軸兩端安裝一個(gè)惰性電機(jī)或可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)能輸出的裝置來提供變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力裝置，從而改變中軸的原定水平面，這樣就實(shí)現(xiàn)了對于中軸的升力輸出的平面與機(jī)身本身的水平面的夾角，進(jìn)而改變姿態(tài)。 其中可實(shí)行的方案有在機(jī)翼兩端分別安裝舵機(jī)或其他動(dòng)力輸出裝置來實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的變結(jié)構(gòu)功能，或者控制懸疑的兩端的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)多帶的螺旋槳的水平方向的朝向，可以通過改變旋翼的水平面來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力方向，進(jìn) 而改變姿態(tài)。實(shí)質(zhì)是改變電機(jī)的螺旋槳的水平面與無人機(jī)本身機(jī)身水平面的夾角來實(shí)現(xiàn)升力的方向， 這樣就實(shí)現(xiàn)了在空中改變姿態(tài)的可能， 還可以在空中具有高巡航速度和高續(xù)航時(shí)間。 可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)旋翼無人機(jī)在飛行時(shí)具有三種飛行態(tài)： 變結(jié)構(gòu) 起降態(tài)、常規(guī)移動(dòng) 飛行態(tài) 和懸停狀態(tài) ，這三種狀態(tài)簡單的將無人機(jī)傳統(tǒng)意義上的兩大矛盾體有機(jī)的結(jié)合在一起，并且進(jìn)一步的簡化飛行中的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其中在起降態(tài)時(shí)對無人機(jī)本身提供了升力，而在飛行態(tài)時(shí)提供推力，已達(dá)到飛行的速度要求，其中對于過渡態(tài)是相對比較復(fù)雜的一個(gè)狀態(tài)，就需要在過渡態(tài)對控制進(jìn)行細(xì)分和調(diào)控參數(shù)，對 于傳統(tǒng)意義上的無人機(jī)在飛行過程中不僅提供升力還同時(shí)提供推力，這樣對于傳統(tǒng)的無人機(jī)在控制上的控制就提出了比較高的控制要求，不僅需要控制起降，還要同時(shí)控制飛行，這就對空中的變化過程有盡可能多的預(yù)測和增加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)的旋翼伸長長度不會(huì)很長，需要幾個(gè)旋翼來實(shí)現(xiàn)因?yàn)槠湫枰専o人機(jī)機(jī)身的力矩圍繞機(jī)身質(zhì)心分布，而且對于其質(zhì)量分布也盡可能的需要分布在四周，同時(shí)還需要在一個(gè)水平面內(nèi)，所以旋翼不會(huì)很大，旋翼過大會(huì)讓旋翼的慣性系數(shù)增加，這樣就造成了其懸停的穩(wěn)定性不高，也使得其旋翼推進(jìn)效率下降， 對于在飛行時(shí) 根據(jù)控制中心計(jì)算得出的參數(shù)為無人機(jī)提供一定的升力。 4 變結(jié)構(gòu)無人機(jī)的 前景 狀況 目前變結(jié)構(gòu)可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)還處于發(fā)展階段，對于變結(jié)構(gòu)的理論尚處于完善階段，但理論上已被進(jìn)一步確認(rèn)是可行的，所以對于現(xiàn)在的變結(jié)構(gòu)無人機(jī)需要一個(gè)可行的完善的方案來實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的完美和傳統(tǒng)無人機(jī)結(jié)合， 為了合理應(yīng)用常規(guī)直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和常規(guī)客機(jī)的優(yōu)點(diǎn)并有效結(jié)合二者優(yōu)勢 ， 這就需要一種全新的無人機(jī)在對這二者做到一種有機(jī)的結(jié)合。 目前設(shè)計(jì)的變結(jié)構(gòu)大型有人駕駛飛行器都采用了機(jī)身旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方式，在兩個(gè)機(jī)翼末端安裝可以旋轉(zhuǎn)的旋翼。起飛 時(shí)， 旋轉(zhuǎn)機(jī)翼 面朝上提供客服機(jī)身重力的 升力，而在空中改為平飛時(shí)， 機(jī)翼 面朝前傾斜，提供水平方向推力 或者重力 ， 這就是傾轉(zhuǎn)機(jī)翼 。另一種方案是機(jī)翼與旋翼同步可傾斜的，被稱之為機(jī)翼傾斜結(jié)構(gòu)。近年來多旋翼無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是微小型姿態(tài)傳感器和嵌入式電子元器件的發(fā)展，使得基于多旋翼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一概念成為可能。 變結(jié)構(gòu)無人機(jī)的未來 自 無人機(jī)被設(shè)計(jì)之初 ，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，無人航空飛行器的研究，開發(fā)與應(yīng)用得到極其迅速的發(fā)展。在民用領(lǐng)域，無人機(jī)開始在氣象監(jiān)測、地質(zhì)勘測、地圖測繪、邊境控制、信號中繼等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 。在軍事領(lǐng)域，在進(jìn)一步發(fā)展傳統(tǒng)的偵查、監(jiān)測和巡邏無人機(jī)的同時(shí)，作為作戰(zhàn)裝備的無人機(jī)也開始開發(fā)與逐步得到應(yīng)用，以取代作戰(zhàn)人員，在全新的非接觸戰(zhàn)爭中以達(dá)到零傷亡的作戰(zhàn)目標(biāo)。 伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，戰(zhàn)爭是對一切科技技術(shù)應(yīng)用的前提，對于現(xiàn)在航母的艦載機(jī)中受到場地的限制和戰(zhàn)爭時(shí)起飛時(shí)間的限制，只能讓艦載機(jī)在盡可能小的場地下完成起降，是現(xiàn)在目前現(xiàn)實(shí)的需要。 可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)是一種新型概念型無人機(jī)，其具有特有的動(dòng)力分布和結(jié)構(gòu)分部使其可以較為合理的解決現(xiàn)有的兩大難題，使現(xiàn)有的問題合理的解決。 變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)是為 改善 常規(guī)四旋翼無人機(jī)的缺點(diǎn) 。采取的措施是采用四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)以保持其可以垂直起降（不像固定翼飛行器需要較長的起降跑道）的優(yōu)點(diǎn)。增添可傾斜的固定翼和旋翼，在水平飛行時(shí)利用空氣動(dòng)力升力來彌補(bǔ)四旋翼的承載與續(xù)航能力不足的缺欠。 5 國內(nèi)目前對于可傾轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)多旋翼無人機(jī)的研究起步比較晚，經(jīng)過了一段時(shí)間的發(fā)展，在機(jī)翼的氣動(dòng)過程、力學(xué)分析、空中受力分析、控制過程等。 國內(nèi)目前對于變結(jié)構(gòu)無人機(jī)的應(yīng)用正是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的應(yīng)用和需要，才衍生了這種新型概念型無人機(jī)。而這種無人機(jī)在國外已經(jīng)被應(yīng)用于中短程導(dǎo)彈攔截等新型戰(zhàn)略技術(shù)的應(yīng)用。 對于我國來說，我國具有廣闊的海岸線，同時(shí)就需要一種新型的裝備來幫助我國維護(hù)我家主權(quán)安全和國境線安全的智能無人可全天候的新型裝備。未來是高智能、高科技、信息化的現(xiàn)代科技社會(huì)，在社會(huì)的各個(gè)角落都需要富含高科技的設(shè)備來服務(wù)于這個(gè)社會(huì)服務(wù)于人類。而目前變結(jié)構(gòu)可傾轉(zhuǎn)無人機(jī)就是這樣一個(gè)可以合理解決上述要求的新型裝備，但是還需要進(jìn)一步的去完善它，不管是在理論上還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還是說是在新設(shè)備的應(yīng)用上，都需要進(jìn)一步的去完善這些選擇，從其中選擇一個(gè)合理的方案來完善這一新性概念無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。 總結(jié) 通過對無人機(jī)發(fā) 展歷程和誕生的了解，熟悉它的發(fā)展進(jìn)程，對無人機(jī)的發(fā)展需要有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)知，對于后期的設(shè)計(jì)和總結(jié)有更加清晰的認(rèn)識，有利于在后續(xù)知識的提煉起到重要作用。隨著對論文的深入，加深了對無人機(jī)本身的認(rèn)知面和知識點(diǎn)。 6 第二章 四旋翼無人機(jī)的基本數(shù)學(xué)模型分析及姿態(tài)控制算法 四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和飛行理論 無人機(jī)的系統(tǒng)組成 一般無人機(jī)由幾大系統(tǒng)組成即動(dòng)力系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)。幾大系統(tǒng)的組成就需要中間的控制程序來協(xié)調(diào)處理無人機(jī)在空中可能遇到的不確定因素來進(jìn)行處理。因?yàn)閭鹘y(tǒng)四旋翼的自身缺點(diǎn)和現(xiàn)有四旋翼 無人機(jī)多攜帶的動(dòng)力部分的問題，通常四旋翼無人機(jī)在空總的滯空時(shí)間相對較短，所以引發(fā)了對于多旋翼無人機(jī)四旋翼的改進(jìn)模式即變結(jié)構(gòu)模式，這樣就需要一個(gè)改進(jìn)的控制模式來控制變結(jié)構(gòu)的控制流程實(shí)現(xiàn)同等條件下的消耗能量最少進(jìn)而優(yōu)化控制過程，讓四旋翼無人機(jī)在空中的控制過程簡便短暫，以適應(yīng)較為復(fù)雜的高空多變的氣流狀態(tài)。 本文所闡述的是針對變結(jié)構(gòu)可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)的這一新型概念機(jī)。無人機(jī)被設(shè)計(jì)成四旋翼的形式具有其一定理論基礎(chǔ)的現(xiàn)實(shí)要求，首先四個(gè)旋翼也就是螺旋槳都處于一個(gè)共同的水平平面內(nèi)，無人機(jī)飛行通過控制各個(gè)螺旋槳的拉力大小使無 人機(jī)飛行時(shí)具有穩(wěn)定的姿態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于是不需要增加其他的機(jī)械動(dòng)能傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，只需要控制四個(gè)旋翼的拉力即可保證飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。這種設(shè)計(jì)非常適合設(shè)計(jì)成載重量不大的飛行器，并且已經(jīng)被設(shè)計(jì)成相對較大的飛行器得到了證明。此外，多旋翼無人機(jī)相比較于固定翼直升機(jī)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢； （ 1） 常規(guī)四翼飛機(jī)是由四個(gè)電機(jī)輸出拉力，這樣增大了拉力 。 一般在增加負(fù)載是讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高來提高拉力。常規(guī)直升機(jī)只有一個(gè)旋翼，拉力增加的有限 ，因此多旋翼無人機(jī)這種設(shè)計(jì)模式就可以較大的增大飛行器的拉力。此外，如果更多的增加旋翼，旋翼的增加也會(huì)增 加控制上的難度，同時(shí)增加能量的消耗。因此本文僅針對完成多旋翼無人機(jī)中四旋翼的改進(jìn)方式變結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)； （ 2）多旋翼無人機(jī)與 常規(guī) 直升機(jī)相比， 可以有效的 控制飛行器的穩(wěn)操性。小型飛行器的體積和質(zhì)量不大 ,因此飛行器的固有時(shí)間常數(shù)也就相對比較小，相對于中大型的飛行器的控制難度會(huì)增加。但是四旋翼飛行器從整體布局上來看具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以飛行器的時(shí)間常數(shù)就比傳統(tǒng) 7 的直升機(jī)的時(shí)間常數(shù)較大一些。因此，多旋翼無人機(jī)與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比會(huì)有更好的穩(wěn)定控制； （ 3）變結(jié)構(gòu)可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)的旋翼是一個(gè)在結(jié)構(gòu)上比較對稱的，這樣就會(huì) 使各個(gè)運(yùn)動(dòng)通道之間的耦合會(huì)相對減小。四旋翼飛行器的對稱結(jié)構(gòu) ,使其在上下運(yùn)動(dòng)與其他的運(yùn)動(dòng)之間的耦合很小。在理想情況下沒有水平運(yùn)動(dòng)存在的情況下 ,前后的運(yùn)動(dòng)與飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)之間的耦合為零。這樣從系統(tǒng)分析的角度來說，簡化了分析的結(jié)構(gòu)，從而減小分析的難度。變結(jié)構(gòu)可傾轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)主要由幾部分組成：動(dòng)力部件、傳動(dòng)部件、控制部件和動(dòng)力輸出部件。傳動(dòng)部件由四個(gè)相應(yīng)型號的直流無刷電機(jī)。動(dòng)力輸出部件由兩對獎(jiǎng)葉組成，利用中心控制部件把動(dòng)力部件和電機(jī)與槳連接。四個(gè)輸出部件呈對角線分布 ,分別位于四個(gè)角的頂端?？刂撇考蛣?dòng)力部件 都固定在中間的平臺(tái)上。 四旋翼無人機(jī)的飛行理論 四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)主要包括以下五種狀態(tài) ,垂直爬升或者下降（ a）、懸停（ a）、俯仰（ b）、滾轉(zhuǎn)（ c）、偏航（ d）參見如圖 （ a）。 圖 （ a) 四旋翼飛行狀態(tài)圖 對于無人機(jī)的姿態(tài)控制過程可以說是一種閉環(huán)控制，在空中進(jìn)行調(diào)控并同時(shí)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)參，使無人機(jī)的本身的空中穩(wěn)定性更加穩(wěn)定流程圖參加 （ b）。 8 圖 (b)空中姿態(tài)控制流程 垂直爬升或者下降：飛行器在垂直爬升的過程中 ,在爬升率穩(wěn)定以后 ,所需的升力只需稍微大于懸停的平衡狀 態(tài) ,其差別只在于機(jī)身在旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的速度中有所不同 ,爬升時(shí)的轉(zhuǎn)速要比懸?？?,但是發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求大。為了提供更大的升力 ,一般采取增加旋翼的轉(zhuǎn)速的方法。但是這種方法會(huì)增加了控制延時(shí) ,對于飛行器的控制不利。垂直爬升同時(shí)增加或者減小四個(gè)旋翼的相同的速度 ,保持四旋翼飛行器的機(jī)體平衡。保持在水平方向和垂直方向的平衡 ,要不如果出現(xiàn)在任意一個(gè)旋翼出現(xiàn)增加或者減小 ,就會(huì)影響機(jī)體的不平衡 ,就會(huì)引起偏移甚至是機(jī)體無法正常飛行。 圖 （ a） 飛行姿態(tài)受力變化狀態(tài) 懸停：四旋翼飛行器 處在空中升力與重力平衡狀態(tài) ,機(jī)體的重量和由于旋翼下氣流或轉(zhuǎn)動(dòng)引起的機(jī)體自身阻力與旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力平衡。四旋翼飛行器的姿態(tài)保持平衡 ,并 Ji靜止在某一處。這種狀態(tài)即為 E。停狀態(tài)。當(dāng)飛行器處于懸停狀態(tài)時(shí)，飛行器懸停所需要的最小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的輸出功率有關(guān)，也與無人機(jī)自身重量有關(guān)。 9 圖 （ b） 飛行姿態(tài)受力變化狀態(tài) 滾轉(zhuǎn)：四旋翼飛行器沿著前進(jìn)軸進(jìn)行滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，機(jī)體的左 邊 旋翼轉(zhuǎn)速增加或者減小 ,或右 旋翼升力增加或者減小 ,或者同時(shí)左旋翼減小右旋翼增力。引起的四旋翼無人機(jī)飛行器左旋翼上升右旋翼下降產(chǎn)生的角即為滾轉(zhuǎn)角。其余的旋翼速度保持不變。 A=B, B, C 為正值 ,轉(zhuǎn)速的變化一般應(yīng)該比較小。 AA、 AB 不能太大 ,如果太大就會(huì)影響機(jī)體的平衡 ,太大就會(huì)出現(xiàn)非線性的變化。 圖 （ c） 飛行姿態(tài)受力變化狀態(tài)