倾转三旋翼无人机同时具备旋翼与固定翼飞行器的特点,通过旋翼的倾转运动实现旋翼模态与固定翼模态间的切换,可实现垂直起降、空中悬停、高速巡航等飞行模式。变结构带来许多优点的同时也伴随着很多技术难题,特别是过渡模态的飞行控制,涉及最优倾转路径设计、旋翼及舵面冗余动力分配、姿态稳定与过渡策略等问题。本文针对课题组自行设计的飞行平台,深入研究了过渡模态的建模与飞行控制问题,提出了过渡模态飞行控制的改进方案,完成了飞行特性分析、控制分配方案制定、倾转策略设计、全模态飞行控制系统设计与仿真、飞行验证等研究工作。具体内容如下:(1)综合考虑多旋翼和固定翼的动力学特性,建立了融合旋翼和舵面控制的飞行动力学模型。基于旋翼几何布局、固定翼飞行动力学方程,完成了动力几何布局测量,电动旋翼拉力、扭矩特性测试,得到旋翼动力学模型。利用飞行试验对固定翼空气动力学参数进行了辨识,得到相应的参数。综合各项物理测试数据,建立精确的过渡模态飞行动力学模型。(2)以倾转过程的理想飞行状态为目标,利用体坐标系下的静力学平衡方程,设计最优倾转路径。过渡飞行过程中,受旋翼最大转速限制,旋翼倾转过快或过慢都不利于稳定飞行,为确保过渡飞行稳定性,旋翼拉力和气动力必须合理匹配以克服飞行过程中的重力和阻力,达到最大的控制裕度。通过配平过渡飞行模态的力、力矩平衡方程,得到倾转角度与飞行速度的关系,采用最小二乘法拟合出最优倾转路径。(3)综合固定翼的气动力和旋翼的拉力,完成了过渡模态控制分配方案设计。过渡飞行模态是本文的研究重点也是难点,针对过渡模态的飞行特性提出了两种控制分配方案,解耦控制分配和基于效率优化的控制分配,解耦控制中速度较小的第一阶段采用旋翼操纵方式,速度较大的第二阶段采用固定翼操纵方式;基于效率优化的控制分配中同时利用旋翼及固定翼操纵方式进行飞行控制,根据空速采用不同的控制权重。通过仿真分析,新的算法可有效降低过渡阶段高度抖动。(4)以最优倾转路径为基础,采用新设计的控制分配方案,设计了转换策略,有效降低了模态转换过程的姿态晃动和掉高。由于当前转换策略不够平滑,飞行高度存在抖动,以最优倾转路径为基础,设计了连续倾转及回转策略;分别搭建了PID控制器和自抗扰控制器,对比分析不同控制器的控制效果及转换策略的可行性,为后续的研究奠定基础、指明了方向。