考慮非線性影響的飛翼布局無(wú)人機(jī)多舵面分配方法研究.pdf

1、大展弦比飛翼布局相比常規(guī)布局具有升阻比高、隱身性能好等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)經(jīng)常采用的氣動(dòng)布局形式之一。為提高系統(tǒng)可靠性，飛翼布局無(wú)人機(jī)一般布置有多個(gè)舵面。如何協(xié)調(diào)多舵面偏轉(zhuǎn)使無(wú)人機(jī)能夠安全可靠飛行，如何滿足舵面的位置、速率等約束，這些都是飛翼布局無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題。控制分配技術(shù)是解決多舵面飛翼布局無(wú)人機(jī)控制的一種有效技術(shù)途徑。
　　本文以大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)舵面操縱力矩與附加氣動(dòng)力強(qiáng)耦

2、合、舵效存在單調(diào)及非單調(diào)非線性特性、機(jī)翼彈性變形對(duì)舵面操縱影響等問(wèn)題，展開(kāi)了控制分配方法的研究。主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　（1）深入分析了大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)多舵面操縱特性。針對(duì)大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)的舵面特點(diǎn)，分析了升降副翼及阻力方向舵的操縱特點(diǎn)及使用方式。研究了大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)舵面的操縱力矩與附加氣動(dòng)力間的耦合特性，非線性特性，以及彈性變形對(duì)舵效的影響。
　　（2）研究了線性分配方法在飛翼布局無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用

3、。分別采用顯式組合法、廣義逆法和不動(dòng)點(diǎn)法三類(lèi)控制分配方法對(duì)飛翼布局無(wú)人機(jī)舵面分配。結(jié)果表明，帶補(bǔ)償顯式組合法、再分配廣義逆法和不動(dòng)點(diǎn)法三種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩指令的成功分配。計(jì)算時(shí)間上，帶補(bǔ)償顯式組合法和再分配廣義逆法均較短，不動(dòng)點(diǎn)法采用迭代格式求解，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)；用舵量方面，不動(dòng)點(diǎn)法最小，再分配廣義逆法略大于不動(dòng)點(diǎn)法，帶補(bǔ)償顯式組合法最大。
　　（3）提出了考慮交叉耦合效應(yīng)的控制分配方法。分析了阻力方向舵與臨近舵面間的交叉耦合效應(yīng)

4、，研究了兩種考慮交叉耦合效應(yīng)的控制分配方法。第一種是序列線性規(guī)劃法，第二種是基于補(bǔ)償?shù)木€性規(guī)劃法。對(duì)兩種方法在分配精度、計(jì)算量和用舵量等方面進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，兩種方法均可以精確地對(duì)指令進(jìn)行分配，基于補(bǔ)償?shù)木€性規(guī)劃法的用舵量要大于序列線性規(guī)劃法，但基于補(bǔ)償?shù)木€性規(guī)劃法的實(shí)時(shí)性要明顯好于序列線性規(guī)劃法。
　　（4）針對(duì)舵效存在非單調(diào)非線性的問(wèn)題，提出了一種基于序列二次規(guī)劃法的控制分配方法。首先使用擬合方法得到了舵偏到操縱力矩的多項(xiàng)式

5、函數(shù)，然后將考慮舵效非單調(diào)非線性的控制分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)序列二次規(guī)劃問(wèn)題，最后利用序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明，相比線性分配方法，基于序列二次規(guī)劃法的控制分配方法可以更精確地對(duì)指令進(jìn)行分配，有效降低分配誤差。
　?。?）提出了基于主要目標(biāo)法的多目標(biāo)控制分配方法。飛翼布局無(wú)人機(jī)在不同飛行條件和任務(wù)階段時(shí)，為實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)需求，舵面分配要兼顧多個(gè)目標(biāo)。首先給出了飛翼布局無(wú)人機(jī)在不同任務(wù)階段的不同優(yōu)化目標(biāo)，然后闡述了如何利用主

6、要目標(biāo)法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，最后具體給出了阻力最小、阻力最大和升力最大三種常見(jiàn)多目標(biāo)分配問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，基于主要目標(biāo)法的多目標(biāo)分配方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的優(yōu)化。
　　（6）提出了一種考慮彈性影響的開(kāi)環(huán)分配算法。通過(guò)彈性模態(tài)廣義坐標(biāo)計(jì)算舵面局部迎角，得到當(dāng)前變形下的舵效模型，使用該舵效模型進(jìn)行控制分配。仿真表明，考慮彈性影響的開(kāi)環(huán)分配算法可以準(zhǔn)確地對(duì)指令進(jìn)行分配，舵面使用未超出舵面約束范圍，分配結(jié)果合理可行。<

7、br>　　（7）提出了一種考慮彈性影響的閉環(huán)分配算法。該方法需要用逆模型法求解當(dāng)前真實(shí)操縱力矩，對(duì)該方法的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了推導(dǎo)，并分析了該方法的穩(wěn)定性條件，最后從頻域特性角度對(duì)閉環(huán)分配方法的性能進(jìn)行了分析。對(duì)考慮彈性影響的閉環(huán)控制分配方法的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并與開(kāi)環(huán)控制分配方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，考慮彈性的閉環(huán)分配方法可以對(duì)指令進(jìn)行較為準(zhǔn)確地分配，其分配誤差要略大于考慮彈性的開(kāi)環(huán)分配算法。
　　（8）設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的