火星直升机姿态控制系统设计与试验研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

在现代火星探测历程中，人类已经通过轨道器环绕、火星车巡视及飞行器巡视

三种方式对火星进行了探测。火星飞行器可以在更接近火星表面的情况下进行火

星巡视，获取更清晰的图像。火星飞行器还能够利用空间视觉技术获取更全面的火

星情报,与火星车协同更有效地实施火星探查任务，因此被视为重要的勘探载具之

一。作为火星飞行器重要组成部分的姿态控制系统由于火星表面的稀薄大气需要

具有较地球飞行器更强的姿态控制能力。本文提出了一种共轴双旋翼式火星直升

机姿态控制系统，基于旋翼叶素受力方程及旋翼操纵原理设计了斜盘调姿机构，建

立了调姿机构运动学模型，设计了驱动与控制单元硬件电路、底层模块程序及姿态

控制算法，利用姿态控制性能试验测试姿态控制系统的性能。

基于叶素理论对旋翼进行受力分析，建立了旋翼叶素受力方程，以此分析旋翼

操纵原理：在桨叶转动一周过程中，由于桨叶桨距角的不断改变，桨叶所受的不同

气动力会使旋翼产生倾覆力矩并改变直升机姿态。考虑机构的输入与输出，采用斜

盘式并联调姿机构构型，利用三个有刷直流电机控制斜盘平面倾斜程度，进而完成

对桨叶桨距角的规律改变。根据机构角度变化范围要求，完成了斜盘调姿机构的设

计。以机构实际结构为基础，进行运动学仿真，得到机构运动学模型，以运动学模

型指导控制算法的设计。

提出了姿态控制系统电控硬件总体架构，将电控系统分为硬件与软件两部分。

在硬件部分中，完成了硬件电路原理图的设计及PCB制板验证。在软件部分中，

根据功能要求、硬件电路及所选器件，完成了底层模块程序编写。软硬件配合实现

相应功能，最终完成了姿态控制系统电控单元设计。

为测试姿态控制系统性能，设计了四自由度姿态测试试验台，并完成了方位角

及倾角姿态控制算法设计。开展了姿态控制系统驱动性能测试试验，试验结果表明：

调姿电机实际转角控制误差在0.06°以内，姿态控制系统输出准确。开展了直升机

姿态变化规律试验，得到由旋翼转速、周期变距角及周期变距相位角三个输入参数

到直升机倾角及实际方位角两个输出参数间的相对关系。开展了姿态控制性能测

试试验，分别对方位角及倾角进行控制。试验结果表明：方位角控制误差在5°以

内，响应时间在10s以内；倾角控制误差在1°以内，响应时间在15s以内。开展

了姿态跟随性能测试试验，方位临界跟随周期为15s，响应时间为7s；倾角跟随

响应时间为6.5s。

关键词：火星直升机；姿态控制系统；斜盘调姿机构；试验研究

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

ABSTRACT

InthecourseofmodernMarsexploration,humanshaveutilizedthreemethods:

orbiterorbiting,Marsroverinspection,andaircraftinspection.TheMarsspacecraft

providesacloserviewoftheplanetssurfaceandcaptureshigh-resolutionimages.The

aerialperspectiveenablesamorecomprehensiveunderstandingofMarsandallowsfor

moreefficientexplorationmissionswhencoordinatedwiththeMarsrover.Therefore,it

isregardedasanimportantexplorationvehicle.Thispaperintroducesaproposedattitude

controlsystemfortheMarsspacecraft,specificallydesignedtoovercomethechallenges

posedbythethinatmosphereonMa