一种共轴式直升机操纵机构的运动学建模与分析

《一种共轴式直升机操纵机构的运动学建模与分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报May252013V01．34No5988．1000ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．educn一种共轴式直升机操纵机构的运动学建模与分析袁夏明1，朱纪洪1’“，陈志刚2，鲁兴举31．清华大学计算机科学与技术系，北京1000842．兰州I交通大学机电工程学院，甘肃兰州7300703．国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073摘要：共轴式直升机操纵机构的输入／输出运动学关系

2、复杂、非线性严重，不同通道间控制耦合大，其中航向采用全差动的操纵机构最为复杂。为了分析用比例关系简化建模所引起的误差及利用逆运动学进行操纵系统线性化，必须对操纵机构运动学进行精确建模。针对一种航向全差动操纵机构，首先，运用机构学原理，通过去除过约束、局部自由度对机构进行简化，计算得到操纵机构自由度；然后，将操纵机构分为3个子模块，通过对每个模块应用空间机构位置分析方法进行正向、逆向运动学推导，建立系统完整的运动学模型；利用光学测量原理设计了测试系统，并通过实验验证了所建模型的正确性；最后给出了所建模型在共轴式直升机建模、操纵解耦及线性化方面

3、的应用方法。关键词：直升机；操纵机构；运动学；建模；自由度中图分类号：V275+．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)050988—13直升机动力学所固有的严重非线性、强耦合和开环不稳定等特性，使得动力学建模与飞行控制一直是制约无人直升机自主飞行研究的难点[1。2]。作为其控制通道的核心组成部分，操纵机构的作用是将执行机构输出转换为旋翼桨距角的改变，控制旋翼拉力的大小和方向，从而使直升机具备良好的机动能力。操纵机构运动学具有较强的非线性，如能在建模阶段准确地把握其非线性特征，有助于在控制设计时对其进行有效的补偿，实现操纵

4、系统线性化。特别是，共轴式直升机的偏航通道操纵也主要由主旋翼完成，使该类直升机的操纵机构设计更加复杂∞j。共轴式直升机虽然具有悬停效率高、特征尺寸小等优点，但气动特性复杂、总距／航向通道问耦合严重，建模准确性、解耦控制器设计等均对操纵机构运动学建模提出了要求。通过实验进行建模工作量大，而被较多采用的比例关系简化建模方法适应性与准确性均有限，因此，运用机构学原理对操纵机构进行完整的运动学建模，准确把握其运动规律，有助于深入研究直升机动力学特性，优化操纵机构设计H]，提高建模精度并辅助控制系统开发[5。6]，有很重要的意义。国内外已有一些学者对

5、直升机操纵机构的设计、建模和分析进行了研究。Lange等[7。83对加拿大庞巴迪公司研制的共轴式无人直升机CL一327的操纵机构分别进行了运动学与动力学建模，其中运动学部分将整个自动倾斜器(Swashplate，SP)分解为3个独立的并联机构模块，对每个模块进行了正、逆运动学关系推导与速度分析。Saffarian和Fahimi[93针对一类常见的小型单旋收稿日期：2012-06-07；退修日期：2012—09-03；录用日期：2012—11—05；网络出版时间：2012—12—1909：14网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／de

6、tail／111929V201212190914003htmI基金项目：国家自然科学基金(60974142)*通讯作者Tel．：010-62796706E-mail：jhzhu@tsinghuaeducn引用格式：YuanXM，ZhuJH．OhenZG．etalKinematicmodelingandanalysisofacoaxialhelicopter’SactuatingmechanismActaAero—nauticaetAstronauticaSinica，2013，34(5)：988-1000．袁夏镑，朱纪洪，睬志硪．等．一种共

7、轴式直升枧操纵枧梅的运动学建模与分析航空学报，2013，34(5)：988—1000．袁夏明等：一种共轴式直升机操纵机构的运动学建模与分析989翼带尾桨式无人直升机的操纵机构进行了运动学建模，考虑了伺服小翼对运动学关系的影响，并对不同输入条件下的桨距角输出进行了仿真。Sabaapour和Zohoor[103在文献[9]的基础上，对同样一类操纵机构的运动学进行了更深入、全面的分析，推导了位置、速度和加速度的变化规律，并用ADAMS软件进行了仿真。相比国外，国内在该领域研究积累较少：冯亚昌等设计了一种半差动航向操纵机构，阐述了其操纵原理，并对某

8、共轴直升机操纵机构的纵向通道动态特性进行了分析[11-IZ]；吕俊刚等[13]论述了一种微型无人直升机操纵机构的操纵原理；窦尚成和刘亮口4]对单旋翼带尾桨式直升机操纵机构的运动特