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尾坐式垂直起降无人机结合了旋翼类无人机和固定翼无人机的优势,不仅可以像直升机一样垂直起降、空中悬停,同时具有固定翼飞机高速巡航飞行能力,在民用及军事领域均有重要的应用前景。尾坐式无人机有三种飞行模式:垂直飞行模式、水平飞行模式和过渡飞行模式。因此会涉及到模式间转换的问题,给飞机建模及控制增加了难度。在建立尾坐式无人机数学模型时,首先需要建立坐标系及动力学模型。通常飞机姿态可由三个欧拉角(滚转角、俯仰角和偏航角)确定,然而尾坐式无人机在垂直飞行模式下做大角度机动时,俯仰角变化接近90°,采用常规欧拉角来描述飞机姿态会产生奇异。为此,本文引入四元数表示法对尾坐式无人机的姿态进行分析解算。当尾坐式无人机处于垂直飞行模式时,由于飞机空速低、迎风面大,容易受到阵风干扰引起姿态振荡,受环境影响较大。本文利用PID控制理论完成尾坐式无人机飞行控制器的设计,通过gazebo仿真获得最佳控制参数,并完成空中悬停和低速前飞试验。具体工作如下:1.对本试验系统进行详细讲解,介绍了尾坐式无人机控制系统、动力系统和机械系统结构布局中各部件选型及其功能原理,讲述了尾坐式无人机的飞行原理。2.针对尾坐式垂直起降无人机的建模与飞行姿态控制问题,首先定义坐标系,根据牛顿-欧拉方程对尾坐式垂直起降无人机的进行动力学建模,获得六自由度非线性数学模型,并分析了力的产生机制。详细介绍了四元数,将四元数表示方法用于尾坐式无人机的姿态解算,来解决飞机在大角度机动时期姿态运动方程奇异现象。根据尾坐式飞机的模型,可以将飞行器的每一时刻的飞行姿态分解为滚转角,俯仰角和偏航角,针对每一个自由度都是一个二阶系统。对这三个变量分别采用串级PID控制策略,使尾坐式无人机在起降和悬停过程中保持姿态的稳定性。3.利用gazebo软件构建尾坐式无人机运动仿真模型,通过仿真实验整定出最佳飞行状态的PID参数,给出了尾坐式无人机垂直飞行过程的仿真实验结果,仿真结果表明,本文设计的串级PID控制器可以有效地对尾坐式飞行器进行控制。4.最后搭建尾坐式垂直起降无人机试验平台,通过pixhack飞行控制系统,配合QGroundControl地面站进行试验。对试验数据进行分析总结,试验结果表明本文所提出的建模及控制方法可以有效的控制尾坐式无人机完成悬停及低速前飞试验。