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作品名称：一种倾转四旋翼飞行器飞行姿态过渡控制
学校名称：广东海洋大学
参赛队伍：倾转未来
队伍编号：212774
参赛学生：莫杰宇罗冠源巫瑞雪罗纽
指导老师：王关皓张明康
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

在倾转四旋翼飞行器的飞行过程中，其飞行姿态过渡阶段往往具有明显的不稳定特性。因此，我们对四个旋翼的控制量和控制方式进行合理分配，提出了一种基于 PID和 LQR的倾转四旋翼飞行器飞行姿态过渡控制方法，并调整固定翼布局，使得倾转四旋翼飞行器由垂起阶段抛物线过渡到平飞阶段更加平滑和安全，并对该方法进行了仿真和实验验证，实验结果表明该方法有效地解决了倾转四旋翼飞行器飞行姿态过渡过程中的不稳定特性。

飞行姿态设计：在旋翼起飞阶段，通过机体下支架抬高，同时四个旋翼改变一定倾角保持四个旋翼高度一致，使用普通四旋翼模式垂直起飞并悬停（如图1）；过渡阶段分两步走，第一步先采用普通四旋翼无人机模式提高尾翼两个螺旋桨的转速，抬高尾翼使得主机翼处于水平状态，该阶段旋翼的升力的垂直分力和机翼的升力共同作用产生稳定的升力，使得飞行器的过渡阶段飞行轨迹呈现抛物线飞线；第二步四个螺旋桨同步倾转，以优化气流减少旋翼之间的气流干扰，高效完成过渡阶段到平飞阶段的转换；最后四个螺旋桨提供水平动力，进入固定翼平飞模式，实现高速巡航（如图2）。

图1 垂直起降模式

图2 平飞模式

气动外形设计：选取四轴旋翼的气动布局，固定翼气动布局采用双发螺旋桨布局，同时采用双垂直尾翼结构并在其顶部安装两螺旋桨为固定翼模式提供动力。为避免前后旋翼在固定翼状态下会进行气流干扰，采用高度错开方式优化气流导向。但同时在旋翼垂起悬停阶段，由于旋翼作用力不在同一个平面上会发生倾覆问题，因此在机体前设计一支架改变无人机起飞倾角从而使起飞阶段四个旋翼处于水平位置。

控制设计：采用带积分环节的比例-微分（PID）控制器。当飞行器在平飞过程中，随着俯仰角的增大，通过积分环节对角速度进行积分运算得到了期望角度，根据期望角度和实际角度的差值作为反馈信号对 PID控制器中的比例和积分进行调节，从而使飞行器能够快速、平稳地过渡到平飞状态。同时将 LQR控制器应用于倾转四旋翼飞行器飞行姿态过渡控制系统中，能够有效地解决倾转四旋翼飞行器由垂起阶段抛物线过渡到平飞阶段出现的不稳定现象。