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时间：2021年12月21日 09:39
（中国民航大学 天津 300300）
摘要：本作品是设计一款飞翼布局自主飞行无人机。按照已规划的航线自主飞行。四发动力系统分布于飞机翼尖小翼处，突破传统的动力组搭载方
式，相比较普通飞翼布局无人机，增大了机身可利用空间；独自编写程序并调试自动驾驶仪，使飞行器自主的实现各部分的协调控制，最终完成对已知航线的自主飞行命令。
关键词：自主飞行，飞行控制，航线规划，无人机
随着科技的逐步发展，无人机日益普及。种类繁多各具特色的遥控式、半自动式、自主式或者三者具备的飞行器进入人们的视野。越来越多的无人机也都向着智能化，实战化的方向发展。在自主飞行方面也有着广阔的前景，自主飞行控制能力的提高将是未来无人机飞行控制系统的主要目标，而自主控制也将是未来无人机的典型特征 [1] 。因此，我们对无人机的控制原理进行阐述,并对无人机纵向控制策略、横向控制策略以及自主飞行控制进行描述。
一、飞翼布局
飞翼构型（flying-wing）即飞机气动布局中的飞翼布局形式。与常规飞机比较而言，飞翼布局取消了后机身和尾翼，这样不仅减轻了重量，还降低了阻力，节省了制造费用，在宽敞的机内空间还可安排各种设备。与常规布局相比，飞翼式布局部件较少，拆装更方便，检查和维护更快速。当然这样的布局也有不足之处，由于没有平尾，容易出现俯仰稳定性不足和操作力矩较小的问题。常规布局飞机其机翼会产生低头力矩，可以通过平尾产生抬头力矩而进行配平。飞翼布局飞机无法通过平尾进行配平，所以在选择翼型时必须要考虑力矩的影响。在满足要求升阻要求的前提下，此时要求飞机的零升力矩要尽量的逼近巡航时升力的力矩，通常会采用中弧线像放到的 S 形翼型，这种翼型的力矩特征是稳定的。
飞翼布局飞行器翼型选用标准
（1）翼型大升阻比动态范围大，升阻比极值后下降趋势较慢。
（2）翼型产生的低头例句不宜过大，因飞翼无平尾，应采用自配平翼型。
（3）失速迎角不宜过小，以免损失飞机机动性。
通过在 profili 翼型库中的筛选，我们对 MH45、S5010、MH60 三种“S”
型翼型进行比较。
对比分析可知，S5010 翼型具有较大的升力系数、较大的升阻比系数、较好的失速迎角，符合无舵面飞翼的设计要求。综合上述几点，因此本机决定采用了 S 5010 翼型。
二、工作基础
我们在该项目立项之前，我们就对飞翼布局有过较为简单的了解。对飞翼布局翼型的选择做过分析。后期在整机翼翼型和机翼平面形状设计好之后，利用 XFLR-5 软件对飞机外形进行了计算。最终通过 XFLR-5对飞机外形进行了分析确定了机身参数，最终形成了三维视图。
三、主要研究内容
1.通过飞行器飞行程序使用 pix 自带的 arducopter 固件，采用经典控制理论中的 pid 调节调控飞行器进行自控，首先进行起飞前四发动力状态的各自由度上的 pid 调节，首先是飞行器稳定 pid 调节，p 对应其震荡剧烈程度，d 为对其调节速率进行微分减小晃动程度，i 为误差调节，首先关闭其滚转，偏航的 pid，使其定高于某一高度，此时外加干扰，观察其是否可以维持稳定，逐渐增大 p 值直至其震荡，再增大 d 值，减小其震荡程度，多此给予激励，观察其误差变换，填写 i 值，pid 也基本调节完毕，同样方法将三个自由度上的 pid 调节至适当值，完成参数调节。
2.起飞后开始进行姿态运算，检测其欧拉角，但是先通过四元数表示旋转，将其转换为欧拉角，减小误差，稳定其姿态，控制其稳定起飞，通过mission planner 设定 VT_ARSP_BLEND 参数来控制什么时候切换为平飞状态，并通过 VT_ARSP_TRANS，VT_B_DEC_MSS，VT_B_REV_DEL，VT_B_REV_OUT，VT_B_TRANS_DUR 等参数完成从旋翼进平飞状态与从平飞减速到旋翼状态的整个过程，并通过 mission planner 中的 way原point 指令与 gps 设定其规定航线达成自主飞行的能力。
四、主要创新点
（1）实现无人机的自动手动飞行的快速切换（2）机翼与电机座的融合，使各连接处结构强度保证（3）对自主飞行航线的精确控制（4）开源飞控代码编写及参数确定，包括四个电机内阻不同而调成相关参数。
五、有待改进的地方
1.本次研究在气动分析方面仅利用 XFLR-5 进行了分析，分析方法相对简单，还有待改善。后期我们将更加系统的学习 CFD 相关软件。进行更专业的分析。
2.自主飞行方面，通过多次测试，发现飞控与 gps 信号受天气影响较大，有地面端数据无法写入飞控，gps 信号弱的情况发生。在自主飞行航线的精确度方面执行飞行的航线偶尔会和已规划航线产生小误差而发生小幅度的相对偏移。四发全自动飞行飞翼的自主飞行控制方面一直是个难题，体现在复杂的飞行环境，飞行调整，飞行路径设置与飞行规划等3.四发全自动飞行飞翼总体设计阶段，并没有足够的实验数据支持，飞机的总体设计是一个复杂漫长、不断迭代的过程，需要综合多学科，多领域的统筹分析和计算。后续工作中我们可以对总体设计进行更加精确，深入的研究。
六、实用性调研
目标：进一步实现民用航空调查和军事调查的应用在军事领域：四发全自动飞行飞翼可携带各种侦察设备：可用于完成战场侦察和监视、定位校射、毁伤评估、电子战等；靶 机：可作为火炮、导弹的靶标等。
在民用领域：可用于地图测绘、地质勘测、灾害监测、气象探测、空中交通管制、边境巡逻监控、通信中继、农药喷洒等。
目前，在民用领域，这类无人机用的比较好也比较多的就是在：农药喷洒、航拍服务方面，无人机正在不断地发展完善阶段，在未来将占有很重要的地位。在飞行方面，自主飞行的无人机和一般无人机不一样。一般的飞手必须随时随地的用遥控器去控制，飞一次要耗掉大量人力，而自主飞行可以在地面端里面通过航线提前的规划进行训练，这样大大减少人力资源;与此同时，一个人可以同时控制几架甚至数十架的无人机，使效率大大提高。
基金项目
大学生创新创业训练计划项目(项目编号:201910059046)
