升降舵辅助操纵的自转旋翼机自适应姿态控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252016V01．37No．92820—2832ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．ca升降舵辅助操纵的自转旋翼机自适应姿态控制林清1’2，蔡志浩1’2一，闫坤1’2，王英勋1’21．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京1000832．北京航空航天大学飞行器控制一体化国防重点实验室，北京100083摘要：针对常规自转旋翼机俯仰操纵方式存在的问题，提出了一种升降舵辅助操纵的自转旋翼机

2、布局。采用解析叶素积分方法建立了自转旋翼气动模型，通过与风洞试验数据及数值叶素积分法的对比验证了其合理性。提出了基于神经网络动态逆的白转旋翼机姿态控制方法，采用动态逆技术设计了基本控制器，采用在线神经网络自适应补偿建模误差、外界干扰和设计模型误差导致的不确定逆误差。提出了基于动态控制分配技术的升降舵一旋翼纵向周期变距分配方法，以协调二者在控制效率和带宽方面的差异。仿真结果表明，提出的升降舵辅助操纵方式可以有效地降低旋翼机桨盘的调整频率和幅值；提出的姿态控制方法具有良好的控制性能和鲁棒性；动态控制分配器能够合理地协调升降舵和旋翼纵向周期变距。关键词：自转旋翼机

3、；升降舵辅助；姿态控制；动态逆；动态控制分配中图分类号：V249．122文献标识码：A文章编号：10006893(2016)09—2820—13自转旋翼机(简称旋翼机)是以无动力自转旋翼作为主要升力面和操纵面，发动机牵引／推动作为前进动力的旋翼类飞行器口]。旋翼机具有独特的优势：与固定翼飞机相比，旋翼机低速性能好，且可实现短距起降；与直升机相比，旋翼机结构简单，空重比低，且气动效率更高口]。近年来，旋翼机在商业和军事上的应用潜力逐渐受到重视，再次成为航空领域关注的热点。Houston等以轻型有人旋翼机为研究对象，先后开展了旋翼机空气动力学[3]、飞行动力学[

4、4]、适航性[5]及飞行品质[63等方面的研究，为后续的旋翼机飞行控制等方面的研究打下了基础。李建波等在旋翼机空气动力学[7]、旋翼机总体设计口]、飞行动力学及飞行性能[9]及复合式旋翼机飞行动力学¨0‘111等方面开展了长期的研究，推动了国内旋翼机技术的发展。陈淼[12]对无人自转旋翼机的飞行控制问题进行了有益的探索，主要采用线性鲁棒控制方法研究了无人旋翼机的纵向控制问题，但其控制所用的旋翼机模型未能体现对于旋翼机而言非常关键的旋翼自转特性。Et前，国内外对于旋翼机的研究主要集中在空气动力学与飞行动力学方面，而对其飞行控制问题研究较少。这一方面是由于目前的

5、旋翼机起飞重量较小，仍可以沿用原始的机械操纵方式；另一方面也囿于旋翼机空气动力学与飞行动力学的研究程度，现代飞行控制技术未能很好地应用于旋翼机。随着旋翼机起飞重量与飞行速度的提高，传统的机械操纵方式将不再适用。例如，Carter收稿日期：2015—09—24；退修日期：2015-11—13；录用日期：2015-12．14；网络出版时间：2015．12．1811：00网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929V．201512181100．002htmI*通讯作者Tel．：010-82338792E．mail：czh@buaa．e

6、duon引用格武；栋清．蔡志浩．闫坤．等．升降舵辅助操纵的自转旋翼枧自适应姿态控翻iJ]．航空学报．2016．37(9)：2820-2832．LINQ．CAIzH，YANK，eta1．AdaptiveattitudecontrolofautogyroaugmentedwithelevatorCJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(9)：2820．2832i林清，等：升降舵辅助操纵的自转旋翼机自适应姿态控制航空技术公司的复合式旋翼机试飞员指出，旋翼机的机械操纵系统特性在整个速度范围内变化很大，高速时旋翼状

7、态对于操纵杆量非常敏感，易出现操纵过量和大幅纵向振荡，严重影响飞行安全[13

8、。目前，通常采用增加平尾等措施来改善旋翼机的纵向稳定性，但气动布局的调整对于整个速度包线内旋翼机操稳特性和飞行品质的改善是有限的，而现代飞行控制技术则是提高旋翼机飞行性能和安全性的有效途径。此外，复合式旋翼机[1∞11‘13

9、、无人自转旋翼机[1们的发展也对旋翼机的飞行控制技术提出了更高的要求。旋翼机是在固定翼飞机的基础上增加旋翼、去掉机翼等气动部件发展而来的，但在演变过程中，机翼、平尾、副翼等升降舵等的取消并未开展深入研究。近年来，学术界和工业界基于现代航空技术，开始重新审视机翼

10、、升降舵等对提高旋翼机性能的意义。Tervamaki