02-小型无人倾转旋翼机飞行操纵控制系统研究(郭剑东)

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1、第二十四届（2008）全国直升机年会论文小型无人倾转旋翼机飞行操纵控制系统研究郭剑东宋彦国夏品奇（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京210016）摘要：本文通过研究倾转旋翼机的飞行动力学模型，建立了小型无人倾转旋翼机在直升机、倾转及飞机飞行模式的飞行力学模型。仿真计算得出配平工作点处各通道的操纵量和匕行器的飞行姿态，并提取了工作点处的线性模型。釆川特征结构配置理论实现了小型倾转旋翼机的角速率解耦控制（RCAH）,在各通道解耦的基础上利用经典控制理论完成了姿态保持控制（ACAH）o通过仿真结果表明设计的控制系统具有良好的指令跟踪性能。关键词：倾转旋翼机；非线性方

2、程；特征结构配置；引言倾转旋翼机属垂直起降飞彳亍器（VTOL：VerticalTake-OffandLanding）的一个重要分支，兼有直升机和飞机的优点，具有直升机垂直起降和空中悬停，固定翼飞机高速前飞的特点［1、2］。飞行模式多样，具有直升机飞行模式、过渡飞行模式和飞机飞行模式，过渡飞行模式的操纵•控制技术是亟待解决的关键技术。近年来我国十分重视倾转旋翼机和关技术的发展和理论知识的积累。本文针对小型无人倾转旋翼机建立了全量非线性飞行动力学数学模型，并在Matlab的Simulink的仿真环境中建立飞行力学仿真模型，展开该飞行器飞行性能与操纵控制策略的仿真。1小型无人倾转

3、旋翼机飞行动力学模型1.1数学模型分析该飞行器飞行操纵控制策略的基础是系统的飞行动力学数学模型。在分析时假定小型倾转旋翼机为刚体，在空中的运动有6个自山度，即质心的3个移动自山度和绕质心的3个转动自由度。其机体地标系如图1所示。分别建立倾转旋翼机的旋翼、机翼、发动机短舱、机身、平尾、垂尾的风轴处标系，在各自处标系中计算气动力及力矩，最后将力及力矩通过处标转换至重心，各部件的计算方法参考®3合外力及外力矩分别为:E，M,,（i=x,y,z）即（i=x,y,z）（1）其中，下标“表示右旋翼，〃表示左旋翼，iw表示机翼（包括副翼），炉表示发动机短舱，•表示机身，加表示平尾（包括升

4、降舵），"表示垂尾（包括方向舵）。一般机图1机体坐标系由于小型倾转旋翼机固有的纵横向运动耦合，而且其飞行状态多，特别是倾转模式飞行，存在强烈的操纵、气动耦合和动不稳定性。图2反映了旋翼与机翼之间的气动耦合特性：旋翼的下洗流对机嵬的干扰作用，以及机翼对旋嵬诱导速度的阻塞效应，随着小型倾转旋翼机由肯升机飞行模式向飞机飞行模式过渡，两者干扰作用时刻变化。在建模时将旋翼尾流对机翼的干扰作用划分为自由区(不受旋翼尾流作用)和扰流区(受旋翼尾流作用)。自由区与扰流区机翼血•积的计算十分复杂，在肓升机模式悬停状态吋，机翼受到旋翼尾流的干扰而积最大，在机翼上产生较人的载荷，随着前E速度的增

5、加旋翼下洗尾流向机翼后缘倾斜，干扰而积减小，载荷也逐渐减小。木文计算扰流区的而积时采用文献⑸的经验公式如下：S=Smax［血(必)+cos(见)］如二⑵%其为肓升机模式时最人的扰流区面积，"吨为最人前飞速度，U为当前飞行速度，/”为短舱倾角，d"为经验系数，其约束条件如下：7TTTsin(tz—)+cos(/?—)=122⑶7171sin(d—)+cos(b—)=033从而得到机翼自由区和扰流区的面积，并分别计算自由区和扰流区的气动力和力矩。由于小型倾转旋翼机飞行模式多样，各部件之间气动干扰复杂，导致机翼、平尾与垂尾的气动迎角变化范围宽，很难准确的确定升力系数和阻力系数，木

6、文在计算建模时参考文献⑹的方法确定机翼、水平安定面和垂直安定面人迎角变化区域的升力、阻力及力矩系数。2飞行力学仿真模型根据飞行动力学方程，在Simulink的仿真环境中建立小型倾转旋翼机的飞行力学模型，完整的飞行动力学仿真模型如图3所示。图3仿真模型该模型包括三个基木模块：第一个为操纵输入模块，包括总距、总距差动、横向周期变距、纵向周期变距、纵向周期变距差动、副翼操纵、升降舵操纵、方向舵操纵以及发动机短舱倾介控制；第二个为气动力计算模块，包括旋翼、机翼、机身、平尾、垂尾以及短舱，最后将计算的力及力矩通过坐标转换至体轴系；第三个为输出模块，分别为机体三轴方向线速度Vv,Vv,

7、K,角速度®,叫，姿态介0,&,八利用小扰动线性化理论，通过Matlab的分析函数对建立的非线性模型进行配平计算，确定系统平衡工作点处的操纵屋和飞行状态，根据各匕行模式的配平结果展开全模式飞行研究。图4反映了前飞速度与总距、纵向周期变距和升降舵Z间的关系。在仿真时选择0-16m/s为直升机模式水平前飞，从仿真曲线可以得出该小型倾转旋翼机具冇直升机的图4全模式飞行前飞速度与操纵量图5转换走廊根据各飞行模式的配平状态和试飞试验，研究了该小型无人倾转旋翼机的转换走廊，如图5所示。小型倾转旋翼机首先以直升机模式乖直起飞，在