無人傾轉旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設計與驗證.pdf

1、傾轉旋翼飛行器利用旋翼傾轉實現(xiàn)直升機飛行模式和飛機飛行模式之間的動態(tài)轉換,改變了傳統(tǒng)的直升機與飛機二類飛行器不能轉換的設計思想,實現(xiàn)了單一飛行器既能空中懸停、低速前飛、后飛、側飛,又能高速遠距離飛行,融合了直升機和飛機的優(yōu)點,展現(xiàn)出廣闊的應用前景。旋翼傾轉給飛行器帶來諸多好處同時,不可避免地提高了設計技術難度,尤其是旋翼拉力矢量變化、旋翼/機翼間氣動干擾使飛行器的飛行動力學問題更加復雜,給傾轉旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設計帶來了極大的挑戰(zhàn)

2、。本文針對傾轉旋翼飛行器的飛行控制關鍵技術進行了深入研究,提出了一整套技術解決方案,解決了無人機傾轉旋翼飛行器原型樣機設計、模型特性分析、過渡模式操縱分配策略制定、飛行控制系統(tǒng)設計與仿真、機載航電系統(tǒng)設計與實現(xiàn)、飛行任務規(guī)劃與試飛驗證等技術難題,具體包括以下幾方面:
　　首先,根據(jù)研究需要,設計和制作了一架無人傾轉旋翼飛行器原型樣機,對該原型樣機進行了功率需求分析和動力選型,確定了燃油發(fā)動機型號、結構配置,完成了原型樣機短艙傾轉結

3、構、動力傳動與分配、外形結構等設計,提出了單發(fā)動機動力驅動結構模式,實現(xiàn)了單發(fā)動機控制雙傾轉旋翼旋轉,旋翼短艙通過渦輪蝸桿由電機驅動傾轉。完成了旋翼、機翼、機身、短艙、平尾和垂尾等氣動部件建模分析,建立了傾轉旋翼飛行器非線性全量方程數(shù)學模型。分析了直升機飛行模式和飛機飛行模式小擾動線化模型的穩(wěn)定導數(shù)、控制導數(shù)、穩(wěn)定性和操縱性,提出了基于多目標非線性規(guī)劃控制的傾轉旋翼飛行器冗余操縱控制分配策略,有效解決了冗余操縱舵面與飛行器升力匹配、操縱

4、控制時變性等問題,簡化了過渡飛行模式下的操縱控制實現(xiàn),便于飛行控制器統(tǒng)一設計,有效降低傾轉旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的設計難度,為飛行控制系統(tǒng)設計和驗證提供了明確的被控對象。
　　其次,應用非線性控制理論設計了傾轉旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)。針對傾轉旋翼飛行器飛行動力學模型的非線性,采用線化處理技術得到了飛行動力學線性模型和動態(tài)逆模型。提出了非線性系統(tǒng)動態(tài)逆模型神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)淖赃m應控制方法,導出了神經(jīng)網(wǎng)絡權系數(shù)在線更新算法,設計了誤差動力

5、學線性調(diào)節(jié)器,實現(xiàn)了傾轉旋翼飛行器姿態(tài)內(nèi)回路控制,提高了姿態(tài)控制的穩(wěn)定性和跟蹤性能。應用經(jīng)典PID方法設計了外回路軌跡控制器,實現(xiàn)了軌跡穩(wěn)定與跟蹤控制。提出了傾轉旋翼飛行器不同飛行模式下冗余操縱舵面余弦分配系數(shù)法,解決了不同飛行模式下飛行控制器的統(tǒng)一設計問題。規(guī)劃了一個飛行仿真任務,對所設計的飛行控制系統(tǒng)進行了仿真驗證,給出了仿真結果和結論。表明所設計的飛行控制算法具有對未建模特性和不確定性的補償能力,飛行控制系統(tǒng)能有效實現(xiàn)姿態(tài)和軌跡的

6、穩(wěn)定和跟蹤控制。
　　然后,針對機載嵌入式飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)要求,提出了PC104和ARM雙處理器硬件體系架構,解決了飛行控制系統(tǒng)中任務要求和系統(tǒng)資源之間的矛盾,確保了嵌入式飛行控制系統(tǒng)實時性要求。設計了低功耗輕質量低成本的機載航電系統(tǒng),完成了傳感器、執(zhí)行器的選型/篩選、硬件電路設計、SINS/GPS組合導航系統(tǒng)軟硬件設計、以及系統(tǒng)集成調(diào)試,滿足了飛行控制系統(tǒng)對機載航電系統(tǒng)的要求。通過實際跑車和機載試驗測試驗證了機載航電設備部件和導

7、航算法的正確性。完成了機載飛行控制計算機系統(tǒng)和航電系統(tǒng)的研制,構建了一套飛行控制系統(tǒng)半物理仿真試驗平臺,提出了集建模-分析-控制律-仿真-地面站-試驗于一體的飛行控制系統(tǒng)集成化設計方法,用圖形化程序設計方法實現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)軟件快速編制、調(diào)試和修改,提高了編程效率,減少了編寫代碼失誤風險。用 Simulink/RTW外部模式實現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)軟件到飛控計算機的快速下載,確保飛行控制系統(tǒng)軟件運行的實時性。應用快速原型技術實現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)

8、快速調(diào)試和調(diào)整、完善。
　　最后,進行了飛行控制系統(tǒng)實際飛行驗證。為了降低直接應用于無人傾轉旋翼飛行器的試飛風險,作為前期準備和摸索,設計制作了結構簡單、體積小的三軸旋翼飛行器,并進行了相關部件的飛行測量。在取得一定經(jīng)驗基礎上選用一架多軸旋翼飛行器進行了姿態(tài)和軌跡控制飛行試驗,全面驗證本文提出的機載飛行控制系統(tǒng)硬件結構、軟件算法和航電系統(tǒng),給出了實際飛行數(shù)據(jù)和結果分析。通過航向/俯仰/滾轉姿態(tài)控制、高度控制、速度控制、定點懸停控制