摘要
本文我们设计了一架固定翼无人机，从力学特性、控制律、动力学方面出发，设计了一架实用、高效的无人机，满足军事、民用各种需求。我们着重讨论了无人机的研究背景和意义，指出了无人机在航空和航天领域中的重要地位，以及无人机在军事、民用领域的广阔前景。接着讨论了国内外无人机和飞行控制系统的现状，着重介绍了固定翼无人机的研究现状。在系统的整体设计部分，本文我们设计了固定翼无人机的机械结构、飞行原理以及其动力系统，利用三维建模软件我们设计了无人机的等效三维模型，确定锂电池为无人机的能源。我们还研究了无人机的气动和动力系统，为后期控制系统的设计奠定了基础。讨论飞行控制系统部分，本文我们详细设计了飞行控制系统中的几个主要部分，包括:遥控器、地面控制站、数字广播电台以及自动驾驶仪。我们建立了小扰动线性化模型，从而设计出了无人机的线性化模型，并设计出了无人机的俯仰角和高度的控制回路，用pid控制无人机的姿态。
此外，本文还讨论了主控芯片at89c52的选择以及在无人机中的应用情况，和电路板的设计过程。通过建立无人机数学模型和仿真测试，来证明控制律的可行性。经过测试，证明我们设计的姿态控制规律，在无人机软着陆时，能够很好的稳定无人机姿态，满足设计要求。最后，总结本文的主要成果，展望未来的研究方向。展望未来，无人机科技将发展得非常迅速，固定翼无人机将会被应用在更多的领域。今后的主要研究方向会由如何使无人机更加智能化，自主化，动力系统的优化和integalized设计，来推动无人机更好地发展。
关键字：固定翼；无人机；系统设计

目录
1.绪论 4
1.1研究背景与意义 4
1.2国内外研究现状 4
1.2.1国外研究现状 4
1.2.2国内研究现状 6
1.3论文研究内容及结构 7
2 固定翼无人机系统总体设计 9
2.1固定翼无人机结构及飞行原理 9
2.1.1固定翼无人机结构 9
2.1.2固定翼无人机飞行原理 9
2.1.3固定翼无人机动态逆控制方法 10
2.2动力系统设计与优化 10
2.2.1固定翼无人机气动力与动力系统分析 11
2.2.2串联式混合动力系统 12
2.3固定翼无人机模型 13
3固定翼无人机飞行控制系统 14
3.1无人机飞行控制系统组成 14
3.2无人机模型线性化 15
3.3俯仰角控制回路 15
3.4高度控制回路 16
4固定翼无人机飞行控制系统设计及仿真实验 18
4.1主控芯片 18
4.2电路板设计 19
4.2.1俯仰角控制器设计 20
4.2.2滚动角控制器设计 21
4.2.3偏航角控制器设计 21
4.3姿态控制流程图 22
4.4系统测试 24
5结论与展望 26
5.1结论 26
5.2展望 26

固定翼无人机系统设计
1.绪论
1.1研究背景与意义
无人机是当今航空发展的一个热门话题。无人机是一种无人驾驶飞机，主要由无线电遥控设备或自主程序控制，可以使用空气动力学来携带和飞行，并且可以回收和再利用。与载人飞机相比，无人机在执行许多任务方面有几个优势。目前，无人机广泛应用于军事和民用领域。在军事应用中，主要实现无人作战和情报侦察。例如，包括“全球鹰”在内的十多种固定翼无人机在伊拉克战争期间执行了数百次任务，为“威慑”和“斩首行动”提供了大量准确的情报，如图1.1所示。在民用领域，无人机可用于航空摄影、快递运输、农作物保护和救灾[1]。例如，SF的固定翼无人机用于物流，如图1.2所示，翼龙2H应急无人机用于中继通信，如图1.3所示[2]。此外，由于航天器也属于无人驾驶类别，它们在类似方面具有普遍特征和参考，可用于预先验证一些航天器的新组件和系统的飞行测试。因此，世界各国对无人机研发的投资不断增加，这导致了无人机技术的显著发展，在一定程度上反映了各国航空和智能控制领域的实力和水平。

图1.1美国“全球鹰”无人机 图1.2顺丰无人机 图1.3翼龙2H无人机
随着无人机在多个领域的广泛使用，它的任务变得越来越多样化，结构也变得越来越复杂。因此，无人机需要具备更高的环境自适应能力，能够处理自身复杂的动力学模型、模型不确定性和环境不确定性，这就要求无人机系统必须提升自身的性能。
经过多年的技术进步，无人机技术已经取得了令人瞩目的成果，特别是在固定翼无人机这一领域。飞行控制系统构成了无人机的关键部分，它确保无人机能够稳定且安全地完成既定的任务。飞行控制系统作为无人机的关键组成部分，涉及到复杂的动力学模型构建、控制算法的设计以及软件工程实践等多个学科的交叉整合，以确保无人机运行的稳定性。为了简化无人机的复杂动力学模型，通常会将无人机的运动方程解耦为纵向运动和横侧向运动，因此，对无人机纵向和横侧向的控制方法的研究受到了广泛的关注。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
dron的出现 早在一战期间(1914年)，英国皇家空军在单翼小型飞机上安装上无线电设备，装填炸药，用来对德军目标进行攻击，这个产品被命名为a·t(即"空中靶标")[3]。1917年，美国第一架无人机于1917年在纽约长滩试飞，这是无人机程控飞行首次成功尝试。但是按照现代对无人机的定义，第一架真正意义上的无人机是出现在30年代英国全木结构双翼无人靶机"蜂后"。在未来的20年里，无人机出现了一些初步的进展，如喷气式无人机和超音速无人机。在此期间，无人机的主要任务还是当靶机[4]。在20世纪60年代，研发重点变成了无人侦察机，于是诞生了无人诱饵机。自从出现无人机之后，由于技术能力的限制，无人机的发展相当缓慢，并且长时期以目标飞行器的地位而不受重视。1982年，无人机的命运有了改写。在贝卡谷地期间，以色列用"猛犬"无人机驱动诱骗叙利亚的防空雷达开启，使它们发射了众多的防空导弹[5]。无人机的创新性运用(即dron和pilot·飞机的联合作战)，已经改变了无人机在现代战场的位置。
文章的研究所确定，接下来我们就一起看看几种具有代表性的国外固定翼无人机种。rq-21a blackjak是美国海军和美国海军陆战队共同使用的无人机系统，其主要任务是各种侦查。rq-21a blackjak系统是由五架飞行器、两套地面控制系统以及发射和回收支持设备组合而成，如图1.4所示。

图1.4 美国RQ-21A无人机
从俄乌之间的冲突开始，俄罗斯大规模地部署了见证者136无人机。这架飞机是伊朗制造的小型无人机，如图1.5展示，其机身长度达到3.5米，最远飞行距离为2000公里。它利用一个简单的惯性导航系统进行导航，并根据坐标进行姿态误差的修正，直到准确击中目标。由于其成本效益，这种简易的导航系统在俄乌战争中得到了广泛应用。

图1.5 俄乌战争的RQ-21A无人机
随着世界各国不断增加对无人机的研发投入，无人机的飞行控制逐渐成为这些国家的重点关注，美国云帽技术公司piccolo飞行控制系统就是一例，那么加拿大micropilots公司mp2028g飞行控制系统也是其中之一， 该飞行控制系统主要是使用主频为40mhza rthpowerpc系列的mpc555(该系列具有硬件浮点功能，有很多的接口，可以外接很多的传感器，有人工、自主和指令三种飞行模式。当你在空中飞行时，地面站可以管理及控制在空中的小型无人机，并且可以使用f taba(地面操纵杆)在人工模式下操纵这些小型无人机。还有航线规划和航点插入3d地形显示等等。由加拿大micropilts公司开发的mp2028g飞行控制系统，可以实现从起飞、起飞后、飞行、降落全过程的自主飞行[5]。速度维持，姿态维持，姿态调节，和gps导航1000点位的导航追踪。故障检测和管理。对gps信号故障，发动机故障，监看链路故障，电平故障等进行检测，并作出相应的对策。它具有空速传感器，气压高度计，gps模块和8通道舵机控制板，所以具有很高的系统可靠性。mp2028g在snakeeye，helispy，西班牙靶机和 nasa的各个部门的无人机上均能使用，是一个成熟的无人机飞行控制系统[6]。
与飞机相比，无人机具有以下优势: 、成本低。在设计、制造无人机时，只需安装一些传感器和驱动装置；、成本低廉。与传统武器相比，无人机作战成本非常低，大量的使用成本将低于几枚远程导弹或一枚巡航导弹；、培训操作人员成本低。培训无人机操作人员的费用相对培训飞行员的成本要低得多，而且，一旦发生故障，维修费用也较低；、缺乏驾驶舱和相关的逃生装置，无人机的布局比飞机更合理和科学。因此，飞机的机动过载可以高，气动布局和结构的选取范围更大；-非常方便。由于无人机的起降场所以及发射场地多种多样，因此，与传统飞机相比，它所需的空间要小的多。在执行任务时，它可以受制于指挥中心，也可以凭自己的控制系统，来了解和识别环境并智能的完成任务；、领域广泛。它可以深入敌境，执行各种战斗任务，而且还可以做很多在科学研究和紧急救援中，对常人来说难以完成的工作；无人机具备出色的战斗表现和高生存能力。有多种隐形透波材料可以用于无人机，由于无人机体积极小，发动机功率低，因此不易被发现，且具备优秀的防御性能。此外，无人机抛弃了飞行员的生理限制，可以设计出更宽泛的飞行范围，从而增加了其在战场上的生存能力。
1.2.2国内研究现状
尽管我国的无人机技术在上世纪50年代起步较晚，但我们在无人机领域也取得了不小的进展。我国已经成功地研发了长空一号无人靶机系列、长虹、T-6、Z-5系列、BZK-002、ASN系列和WZ-2000等多款无人机，总计研发了超过20种靶机和侦查型无人机，并已开始大规模生产，为军队及其相关部门提供装备[7]。尽管在无人机技术方面，我国与发达国家存在明显的技术差异，但在多个无人机技术领域，我们已经建立了坚实的技术基础，并积累了丰富的生产和设计经验。毒蜂小型无人机是由北京航空航天大学的无人驾驶飞行器设计研究所所开发的一种无人机设备，具体可以参见图1.6。这款无人机的整体重量不超过10公斤，一旦系统被拆解，它可以轻松放入背包，并且展开的时间不超过10分钟。毒蜂无人机利用手抛技术进行发射，它具备独立飞行和完全自主起降的能力，特别适用于城市、山区、森林等多变的环境。

图1.6 毒蜂小型无人机

在我国，北京航空航天大学的新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室早早地开始了基于嵌入式操作系统的小型飞行控制软件的研究与开发工作。利用基于VxWorks的实时操作系统，我们对小型飞行控制软件进行了任务分类，并对每个任务的设计进行了深入的阐述。此外，我们还采用了多任务机制，对单任务飞行控制软件的不足进行了优化和改进[13]。
哈尔滨工业大学开发的无人机飞行控制系统搭载了ARM7处理器，这一强大的处理器增强了系统的计算性能，并确保了系统的实时响应和稳定性[8]。结合操作系统的实际应用，我们进一步增强了系统的实时响应能力，提高了软件的安全性和可靠性，从而显著提升了整体设备的性能。
随着无人机技术的进步，无人机在我们的日常生活中的应用变得越来越简洁。全球的大型互联网公司也纷纷参与到无人机市场的角逐中。如今，在全球范围内，无人机已经广泛应用于多个领域，包括但不限于警察力量、城市治理、农业生产、地质学、气象学、电力供应、紧急救援以及摄像和摄影等。从图1.7可以观察到，我国在军用和民用无人机方面的发展存在明显的不均衡性。

图1.7全球军用民用无人机企业排行榜
1.3论文研究内容及结构
本研究项目的目标是开发一套固定翼无人机系统，该系统综合考虑了飞行器的力学属性、控制方法和动力学优化，以实现一款高效且稳定的无人机。这一设计方案不仅有助于增强无人机的飞行表现，还能适应多样化的应用场景，从而促进无人机行业的技术发展。
在第一章中，考虑到无人机的潜在应用和设计高效飞行控制系统的关键性，我们明确了本研究课题的重要性，并对国内外无人机和飞行控制系统的进展进行了简要概述，进而介绍了本文的主要内容和设计策略。
在第二章中，我们明确了固定翼无人机飞行控制系统的功能需求和性能标准，并采用工程设计的思路，提出了飞行控制系统的设计任务，制定了控制系统的设计流程和无人机的控制策略，并明确了飞行控制系统的软硬件设计任务和原则。
在第三章中，我们构建了固定翼无人机的数学模型，并利用小扰动线性化技术推导出无人机在纵向和横向的运动方程。
在第四章中，我们根据已确定的控制策略和方法，明确了控制系统的整体架构和主要的程序流程，并依据系统的具体需求，选择了合适的控制芯片和传感器型号，从而完成了飞行控制系统的硬件设计工作,
随后，我们开始了程序的编译和调试任务。我们构建了一个完整的固定翼无人机飞行控制系统，并使用MATLAB软件对设计的控制律进行了仿真测试。通过对仿真结果的分析，我们证实了该控制律的有效性。

2 固定翼无人机系统总体设计
2.1固定翼无人机结构及飞行原理
2.1.1固定翼无人机结构
固定翼无人机的机械组成部分有机身、起落架和机翼等[9]。飞机的机身内安装有放飞控板、锂电池和外围传感器模块等。起落架是固定翼无人机在滑行时，支撑飞机机身重力的部件[10]。通常小型无人机由于体重轻、翼展小，为了增加飞机的续航能力和稳定性，使用起落架是没必要的。机翼是产生升力的部件，并固定在固定翼无人机的两侧，跨越过飞机的整体机身，是飞机的关键飞行部件之一。机翼通常是成对称性的，他的升力是依靠机翼型的曲率以及前缘、后缘来实现的。机翼的前部是厚度大于后部，这样可以给他提供更多的升力。机翼还配备有襟翼、襟板、襟翼等等，这些是用来调整机翼的升力和阻力，从而改变飞机飞行的目的。固定翼无人机的飞行控制
(1)副翼
它是固定翼无人机飞行姿态稳定性的决定因素。固定翼无人机的辅助翼部是用于保证固定翼无人机在飞行过程稳定性进行横向稳定和方向调整的飞行部件。飞机的副翼通常安装在机翼的尾部，升力是通过改变机翼的角度来产生的。不存在固定翼无人机人与机器进行滚动动作时，有一个松，而有一个拉，两个机冀所产生升力不均衡，从而获得了横向滚动的力。
(2)尾翼
固定翼无人机的尾翼是用于调控固定翼无人机在飞行过程纵向稳定性及俯仰角度的飞行控制部件。飞机的尾部通常都有尾翼，是由水平和垂直的尾翼构成的。水平尾翼的主要作用是调控飞机的俯仰动作，通过改变其飞行角度，产生上升或下降的升力，以保证飞机在空中一个稳定的飞行状态。垂直尾翼的主要作用是调控飞机的方向稳定性和偏航动作，通过改变其飞行角度，产生侧向力，使飞机在空中进行转向，直线飞行。
2.1.2固定翼无人机飞行原理
在小型无人机的实验中，我们选择了手抛发射方式来替代滑跑操作。关于无人机三轴姿态的变化，其飞行的基本原理是：
(1)滚转：当左侧副翼上升而右侧副翼下降时，左侧副翼会受到向下的压力，而右侧副翼则会受到向上的推力，这导致左侧的升力小于右侧，从而使无人机向左滚转；当左侧副翼开始下降而右侧副翼上升时，左侧副翼会受到向上的推动力，而右侧副翼则会受到向下的压力，这导致左侧的升力大于右侧，从而使无人机向右滚转。
(2)俯仰：当水平尾翼上升时，它会受到向下的压迫，导致无人机的尾部高度低于其头部高度，从而实现无人机的向上飞行；当水平尾翼下降时，它会受到向上的推动力，导致无人机的尾部高度超过其头部高度，从而使其能够向下飞翔。
(3)偏航：当垂直尾翼向左转动时，它会受到向右的推动力，导致无人机偏向左侧飞行；当垂直尾翼向右转动时，它会受到向左的推动力，导致无人机向右偏航。飞机的姿态调整和飞行方向控制是通过控制不同部件的动作来实现的。
2.1.3固定翼无人机动态逆控制方法
固定翼无人机的控制系统数学模型是高度复杂的，属于高度耦合的欠驱动系统[11]，因此，多种非线性控制策略经常被应用于固定翼无人机的飞行路径控制[12]。本研究提出了一种基于动态逆控制理论的控制策略，通过构建系统的全状态反馈来实现对系统非线性特性的有效控制。比如说，固定翼的无人机在其飞行途中可能会受到气流和风的影响，这种影响可能会引起无人机产生非线性的反应。利用动态逆控制技术，我们能够为系统提供反馈补偿，确保其具备线性的传递特性，进而达到对飞行器进行精准操控的目的。
这篇文章已经对基于自适应动态逆控制算法的控制理论进行了详细的论证。这是一个完整的控制系统的框架图
如图2.1展示的那样，遥控器通道是其中的一个，操作人员可以随时进入并分别控制飞机的旋转、仰角、偏航角度以及油门的幅度。Inv1、Inv2、Inv3、Inv4都是动态逆控制器的组成部分。

图2.1 动态逆控制系统框架图

2.2动力系统设计与优化
目前，无人机的动力系统主要可以划分为电驱动和燃油驱动两大类，这是因为本研究的焦点是轻型固定翼无人机，由于其载重能力和结构尺寸的限制，很难配备燃料电池关[13]。于无人机的搭载能力，最后确定了其配备锂电池的能源供应系统，正如图2.2展示的，这是固定翼无人机动力系统的结构示意。

图2.2无人机动力系统结构
2.2.1固定翼无人机气动力与动力系统分析
如前所述，固定翼无人机的核心飞行控制策略是通过其两侧的机翼来实现上升尾桨为无人机提供推进力，并通过调节副翼来改变无人机的姿态。在无人机飞行时，它主要受到的力包括无人机本身的重力、气动力和力矩，以及尾桨的推动力和反扭力矩等，以下是各个部分的详细描述：
（1）机身重力
在地面坐标系中，机身的重力是通过无人机的重心来表示的，并且其方向是沿着zg轴延伸的,因此，这对无人机的扭矩产生了影响。
（2.1）
(2)气动力与力矩
鉴于飞机在飞行中的位置和姿态有多种坐标系参考，气动力的计算和结果都是在风轴坐标系中完成的。因此，在进行无人机的受力分析时，必须将其映射到机体坐标系，具体的转换公式可以参考公式（2.2）。但是，气动力矩并不需要进行坐标系的转换。

（2.2）

在该公式中，Fax、Fay、Faz代表气动力在机械系统上沿坐标轴方向的组成部分，而D、Y、L则分别代表风轴坐标系中的气动阻力、侧向力和升力。描述气动力和力矩的常见模型可以在公式（2.3）和公式（2.4）中找到。

             （2.3）


              （2.4）

在这个公式里，l、m、n代表在机体坐标系中的气动力矩分量，Va代表空速，而CD、CY、CL代表气动力的无量纲系数，Cl、Cm、Cn则是气动力矩的无量纲系数。气动力和力矩的无量纲系数表现出复杂的非线性特性，并受到多重因素的综合作用。为了描述这些系数，我们使用了公式（2.5）和公式（2.6）来进行计算[14]。

                                            （2.5）

在这个公式里，δe δa δr分别代表升降舵、辅助翼和方向舵的控制参数。所有其他的系数都是无量纲的气动系数。
除了上述内容，我们还需要对无人机的推力系统参数进行深入的识别和分析。这些推力系统为无人机的飞行提供了必要的动力，涵盖了桨叶、电机、舵机、电调和电池等组件。如图2.2展示的那样，推力系统组件的选择是基于无人机的起飞重量和负载范围，而这些组件的具体参数可以在表2.1中找到。

图2.3无人机推力系统组件

表2.1推力系统组件选型

2.2.2串联式混合动力系统
在混合动力系统中，通常存在三种主要的构造方式：串联式、并联式以及混联式[15]。鉴于并联式发动机的转轴与主螺旋桨轴是相连的，这使得它特别适合于只有单一主动力源的系统由于混联式结构系统具有高度的复杂性和较大的质量，因此对于采用分布式布局的固定翼垂直起降无人机来说，串联式结构是最合适的选择。
串联式混合动力系统的能源构成主要包括主要的动力组件（如发动机和发电机）以及辅助设备由助动力单元（也称为储能电池）和能源管理模块构成，其功率传输途径如图2.4展示。该系统包括三种负载功率，分别是旋翼系统的需求功率PR、固定翼系统的需求功率PF和载荷设备的供电功率PP，以及四种尚未确定的功率，分别是发动机的输出功率PICE、发电机的输出功率PGE、电池的放电功率Pbat和电池的充电功率Prec。发电机的效率被标记为ηGE，而能源管理系统的效率则被称为ηPMS。

图 2.4 串联混合动力系统功率传递路径
通过功率传递路径，我们可以得出功率传递的方程式。

2.3固定翼无人机模型
本研究选择了Navion飞机作为研究对象，旨在验证和模拟算法，而下方的表2.1详细列出了固定翼无人机的相关参数：

表2.固定翼无人机参数说明
首先，我们根据机身的详细结构设计数据，利用三维建模工具CATIA V5构建了固定翼无人机的1:1的等效三维模型，具体如图2.5展示。