哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
2021年，美国“机智号”火星飞行器随“毅力号”火星漫游车部署在火星表
面，4月19日，“机智号”在火星表面成功起飞，悬停30秒后平稳着陆。这是人
类设计的飞行器在地外天体的首次可控飞行，标志着旋翼飞行器探测成为一种全
新的火星探测方式。共轴式旋翼飞行器一般通过自动倾斜盘机构实现机身的姿态
控制。这种复杂的机构暴露在恶劣的火星大气中极易发生故障，并且调姿机构的驱
动电机将为飞行器带来额外的负载，极大的降低了飞行器的飞行探测效率。针对上
述问题，本文提出了一种电磁绕组直驱调姿机构以代替自动倾斜盘的调姿方案。这
种调姿机构可以利用电磁绕组产生可控磁场驱动桨叶变距，与桨叶旋转运动耦合
模拟周期变距运动，进而调整飞行器姿态。
基于叶素-动量理论，分析了自动倾斜盘机构的调姿原理；建立了永磁体电磁
力学模型，分析并计算了永磁体在电磁绕组作用下受到的电磁力矩；基于弹性梁模
型，分析并计算了桨叶旋转时所受的气动铰链力矩。结合上述理论分析了电磁绕组
直驱调姿机构的调姿可行性。
开展了电磁绕组直驱调姿单旋翼系统的硬件设计。根据旋翼工作条件进行了
桨叶结构设计；根据永磁体受力方程进行了永磁体-电磁绕组参数计算；对传感器
和驱动器等硬件进行了选型，设计了其外围电路并绘制了电路板；结合各部分结构
综合设计了电磁调姿性能测试装置。
基于电磁绕组直驱调姿单旋翼系统硬件，开展了软件设计。设计了各传感器、
驱动器以及控制器之间的通讯架构，编写了通讯程序；以PID控制为基础提出了
积分分离式数字PID控制策略；结合演员-评论家策略进一步提出了基于RBF神经
网络的强化学习PID控制策略。
为验证电磁绕组直驱调姿机构的设计合理性并确定控制算法的性能，开展了
力学特性试验及姿态特性试验。通过力学特性试验证明了旋翼系统能够产生幅值
和相位可控的倾转力矩；通过姿态特性试验验证了控制算法的有效性：旋翼系统调
整时间小于5s，倾倒方位角稳态误差小于10°，强化学习系统能够根据不同工况
调整控制器参数。实验结果表明电磁绕组直驱调姿单旋翼系统具有良好的姿态控
制能力。
关键词：旋翼；飞行器；调姿机构；PID控制；强化学习
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
In2021,NASA’sIngenuityrotorcraftcarriedbythePerseveranceMarsroverwas
deployedonthesurfaceofMars.OnApril19,Ingenuitysuccessfullytookoff.After
hoveringfor30seconds,IngenuitylandedsmoothlyonMars.Thisisthefirstcontrolled
flightofahuman-designedaircraftonanextraterrestrialobject,markingthatrotorcraft
explorationhasbecomeanewwaytoexploreMars.Coaxialrotorcraftsgenerallyusean
automaticswashplatemechanismtoadjusttheirattitude.Thiscomplexmechanismis
pronetobreakdownwhenexposedtotheharshMartianatmosphere.Andthemotorof
theattitudeadjustmentmechanismwillbringadditionalloadtotheaircraft,greatly
reducingtheflightdetectionefficie