摘要
小型四旋翼无人机以其机动性高、结构简单和维修成本低等特点在军事侦查、工业巡检、农事服务等众多领域得到了应用。随着飞行环境、任务更加复杂多样，一类可变臂距的四旋翼无人机被提出以应对飞行空间更小的环境。相比于传统四旋翼无人机，变臂距四旋翼无人机的构型设计更为多样、模型分析和控制问题更为复杂。针对这一研究问题，本文提出了一种单驱动变臂距结构的四旋翼无人机的设计方法，并分析了整体飞行控制器设计和复杂飞行环境轨迹优化方法。 首先，面向变臂距结构简单、轻量化需求，设计了一款单驱动变臂距结构的四旋翼无人机，并基于该平台搭建了一套飞控系统。结合曲柄滑块机构和传统四旋翼无人机构型设计了新型变臂距结构，分析了该新构型无人机复杂姿态和位置系统动力学特性。以该平台为基础，进一步搭建飞控系统所需要的底层飞行控制硬件，信息处理模块，无线通讯模块和定位系统等各个部分，完成飞控系统整体设计。 在此基础上，利用切换线性变参数系统(Linear Parameter Varying，LPV)方法构建面向控制的变臂距四旋翼无人机姿态系统模型，提出了应对变臂距和随机扰动的两类姿态稳定控制器。针对变臂距带来的扰动问题，设计了一类依赖于无人机系统模式和机身时变参数的切换LPV状态反馈控制器，保证姿态系统在变臂距过程中的稳定性，通过飞行实验验证了该方法的有效性；针对随机扰动问题，基于变参Lyapunov函数和隐半马尔科夫随机过程模型，设计了一类随机切换LPV状态反馈控制器，保证姿态系统在随机扰动下的均方稳定性，仿真实验验证了该方法的有效性。 进一步，结合切换LPV状态反馈控制器和串级PID控制方法，制定变臂距四旋翼无人机整体飞行控制策略。设计了针对不同臂距模式的切换LPV/PID组合姿态控制器，该控制与串级PID位置控制器构成了整体飞行控制器。再者，针对变臂距四旋翼无人机飞行穿越狭小窗口的轨迹规划问题，提出了多辅助航点和空间约束相结合的约束构造方法，用于求解最小Snap问题得到优化飞行轨迹，实现自主轨迹优化和飞行。最后，通过定点悬停、圆弧轨迹跟踪以及飞行穿越窗口实验验证所设计变臂距四旋翼无人机结构的稳定性和飞行控制器设计、轨迹优化方法的可行性。
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