混合式VTOL UAV动力学建模与仿真

混合式VTOL UAV是简单的将四旋翼和固定翼无人机结合在一起，不仅具备四旋翼飞行器的垂直起降、可悬停的特点，还具备固定翼飞行器的航程远、平飞速度快等特点，具有很重要的应用价值。在该飞行器布局中，四旋翼负责提供升力，工作在起飞和降落阶段；在起飞后则转换为固定翼飞行模式。本文建

混合式VTOL UAV 是一种垂直起降(VTOL, Vertical Take-Off and Landing)无人机，它是一种集直升机和固定翼飞机的优点于一身的飞行器，它既可以零速度垂直起飞和着陆，又可以进行悬停，又能以固定翼飞机的方式进行高速水平飞行，并具有较大的航程，是一种很有发展前途的飞行器[1]。这种飞行器结构复杂、多输入、多输出、非线性，对其控制起来非常困难。目前国内外对VTOL 无人机的研究主要集中在倾转旋翼式无人机[2]、涵道风扇式无人机[3]、T-wing 式[4]和Tailsitter 式[5]等，而混合式VTOL UAV 则是一种非常新颖的飞行器，国内外对其研究较少。

本文首先建立了它的动力学模型，然后对模型方程进行分析，确定输入和输出及状态量，并设计了一种PID 闭环控制策略使系统能够输出稳定， 最后通过Simulink 对其进行了仿真验证了控制系统的有效性。

2. 混合式VTOL UAV 飞行机理分析 混合式VTOL UAV 是简单的将四旋翼和固定翼无人机结合在一起， 在起飞阶段四个旋翼处于工作状态，固定翼螺旋桨转速为零；待起飞后固定翼螺旋桨开始旋转，待机体到达一定速度后四旋翼系统停止工作，此时处于固定翼工作模式；降落阶段固定翼螺旋桨速度逐渐降低最后速度为零，四旋翼系统开始工作。此外，当飞行器的负载较重的时候，它还可以像固定翼飞行器那样的方式进行起飞和降落。混合式VTOL UAV 具有结构简单、实现容易、操控方便等特点，但是模型存在过渡阶段，过渡转换复杂[6]。

并且在固定翼工作模式下，四旋翼系统处于非工作状态，这对飞行器而言是额外的负荷，并且造成了气流扰动，增加了阻力，降低了效率。

3. 混合式VTOL UAV 的动力学模型 为了建立混合式VTOL UAV 的动力学模型方程，首先做出如下假设： 1) 飞行器为一刚体，忽略旋翼的挥舞运动； 2) 飞行器关于xz 平面对称，并且四个旋翼在同一水平面上； 3) 固定翼螺旋桨与yz 平面平行(图1)。

首先定义两个坐标系，机体坐标系O (xyz)和惯性坐标系E (pxpypz)，通过坐标变换可以得出机体坐标系和惯性坐标系的一般转换矩阵为 coscoscos sinsinsincossinsincos sincoscoscoscos cossinsinsinsincoscos sincossinsincoscos cosRθψφψφϕφφψφθψθψφψφθψφψφθψθφθφθ−++=+−+−− (1)