直升机飞行动力学数学建模问题

直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础,也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统,在直升机飞行动力学建模过程中,必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性特性,给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式,是对不同假设、子模型进行分析和综合的一个复杂的过程。鉴于此,简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状,着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼/发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后,针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。     

基于最优分配的复合式高速无人直升机纵向控制设计与验证

高速直升机因其独特构型造成过渡段操纵复杂，控制系统设计难度大。本文针对复合式共轴双旋翼高速无人直升机，设计了全飞行模式控制，为高速直升机的安全飞行提供理论基础。采取分块建模思路，搭建了无人直升机数学模型，设计了过渡模式的操纵策略。采用经典控制理论设计了低速模式和高速模式纵向飞行控制律，低速模式时,为提高位置响应的快速性，直接采用并行控制结构，将位置指令引入姿态通道；高速模式时，在俯仰通道引入航迹倾斜角补偿损失高度。针对过渡段的控制分配问题，分别考虑速度和操纵面反应速度快慢的影响，设计分配权值，采用加权伪逆法进行最优分配求解。仿真结果表明，所设计的纵向飞行控制律可以有效合理分配过渡段的不同操纵量，实现平滑过渡飞行。     

无人直升机自动航线飞行控制律设计与仿真

无人直升机具有悬停、小速度全向机动、大速度前飞等飞行能力,其飞行包线范围大,对飞行控制律设计的要求很高。无人直升机在进行自动航线飞行时,不仅涉及的飞行模态多,而且需要满足复杂的飞行航线需求。根据无人直升机复杂的航线飞行特点,对其航线飞行过程进行区域划分,针对不同划分区域,采用工程上常用的PID控制方法和衰减软化技术,设计了高度控制器、纵向位置控制器、横向位置控制器、协调转弯控制器和控制器问的切换算法,并进行典型航线飞行的数字仿真。仿真结果显示,无人直升机飞行航迹与设定航线的重合性较好,模态切换稳定平滑,从而验证了无人直升机自动航线飞行控制律设计的正确性,为后续工程应用奠定基础。     

某型无人直升机飞控系统仿真研究

介绍了某型无人直升机飞行控制系统半实物仿真系统的组成、原理和实现方法。在仿真系统中，采用Windows平台实现了无人直升机飞行动力学模型的实时解算，解决了在多任务平台上进行实时仿真的关键问题。通过对某型无人直升机飞行控制系统半实物仿真结果的分析和研究，确定了无人直升机飞行控制规律，并整定了控制参数。     

四旋翼无人直升机飞行控制技术综述

四旋翼无人直升机因具有良好的性能而成为近十几年来的研究热点,针对四旋翼直升机的飞行控制技术进行了简要综述。首先,通过分析四旋翼无人直升机的飞行控制特性,指出了飞行控制系统设计的要求和难点;然后,总结了四旋翼直升机飞行控制的研究现状,对几种常用控制算法的特点进行了分析;最后,在分析四旋翼无人直升机关键技术的基础上,讨论了四旋翼飞行控制的发展趋势。     

桨根弹性约束刚度对无人直升机飞行品质影响

基于美国陆军航空设计标准ADS-33E-PRF，从稳定性、操纵性和轴间耦合3个方面，对“跷跷板”式旋翼桨榖加装弹性支承件后的“翼扇涵体”无人直升机进行飞行品质评价。简要介绍了样例无人直升机的飞行动力学模型；结合无人直升机的飞行操纵特点，对ADS-33E-PRF中有关稳定性、操纵性和轴间耦合的内容做了适应性剪裁；以旋翼桨根加装了弹性支承件的样例直升机为例，计算不同弹性约束刚度下的配平特性和飞行品质参数，结合飞行品质评价方法，对样例无人直升机的飞行品质进行评价和比较分析。结果表明:桨根弹性约束刚度对飞行品质中的稳定性、操纵性和轴间耦合3个方面均有影响，并且刚度系数取1左右比较合适。      

基于μC/OS-Ⅱ的无人直升机飞行控制软件设计

飞行控制软件是无人直升机飞行控制的核心,随着对先进无人直升机的性能要求越来越高,无人直升机的控制系统功能越来越复杂,飞行控制软件的设计也越来越重要。本文基于μC/OS-II实时内核详细介绍无人直升机飞控软件模块化的设计方案,提出基于μC/OS-II的飞行控制软件的任务划分和任务通信等技术。该方案能很好得满足系统对实时性的要求,同时能大大降低了开发难度,提高了可读性和可维护性。并且该方案已经在某小型无人直升机飞行控制系统中得到了很好的验证。     

某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型分析

对某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型进行了结构框图分解,分析了从操纵输入到状态响应的原理机制,应用美军标ADS一33飞行品质规范评估了该型无人直升机在悬停状态的稳定性、中小幅值姿态变化响应和轴间耦合特性等品质等级,指导了飞行控制律的设计,使闭环后整机飞行品质达到了等级1的要求。     

舰载无人直升机飞行控制与管理系统试飞验证标准研究

针对舰载无人直升机飞行控制与管理系统试飞验证的标准研究,梳理了国内外现有的与舰载无人直升机飞行控制与管理系统试飞验证相关的标准,对其中的科目进行了适用性分析,提出了我国舰载无人直升机飞行控制与管理系统试飞验证的完整框架,为促进我国无人机系统标准体系的建立和完善提供一定借鉴意义。     

面向倾转旋翼机的TRC响应类型控制律设计

倾转旋翼机操纵的复杂性对其任务能力提出了较高要求，而设计响应类型可以大幅提高其任务执行能力，减轻飞行员操纵负担。本文设计了倾转旋翼机在直升机模式下的平移速率指令（TRC）响应类型控制律并进行了飞行品质的仿真验证。首先，建立了基于机理法的倾转旋翼机非线性飞行动力学模型，并进行了线性化处理；其次，根据有人直升机飞行品质要求，设计了直升机模式下的TRC响应类型控制律；最后，进行了飞行品质的仿真验证。仿真结果表明，设计的TRC响应类型满足相关品质规范要求，飞行品质达到等级1。通过本文研究，能够显著改善倾转旋翼机在悬停/低速飞行状态下的操纵品质和精确机动能力，减轻飞行员操纵负荷，提升任务执行能力，满足倾转旋翼机近地低速机动飞行需求。     

无人直升机自主飞行控制技术

分析了国内外无人直升机自主飞行控制技术的现状及差距,提出了应重点解决的关键技术,为我国无人直升机自主飞行控制技术发展提供参考.     

用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制

发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-State Feedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。     

直升机模糊飞行控制系统的现状与发展

以经典的控制理论来设计直升机飞控系统便面临着不少的困难，模糊控制恰好在某些方面能弥补经典控制的不足。本文介绍了模糊控制系统的设计方法与发展，重点阐述了模糊控制在直升机飞行控制系统中的应用和现状。最后展望了直升机模糊飞行控制系统的研究方向。     

“天行者”小型无人直升机自主飞行控制系统设计

介绍了上海交通大学"天行者"小型无人直升机自主飞行控制系统的设计及实现技术。首先引入了德国柏林工业大学基于牛顿力学建立的小型无人直升机动力学模型,然后基于此模型设计了直升机飞行姿态控制器。之后引入一种针对二次积分模型基于期望响应轨迹设计控制器的控制算法,文中简称为MTC,设计实现了直升机飞行位置的不超调控制和飞行速度控制。实际飞行控制试验结果验证了飞行控制算法的有效性。仿真试验表明,基于MTC算法所设计的飞行导引点方法,可用于实现多航点路径的不减速连续曲线轨迹的飞行控制。     

基于Giotto的控制系统设计及控制方法研究

<正>无人直升机研究的关键问题是飞行控制问题,在无人直升机飞行控制系统中,发动机自动控制是实现无人直升机自主飞行的前提和关键。良好的发动机控制系统能最大限度发挥发动机的功能,提高无人直升机的安全飞行性能。发动机具有非线性特性,作为无人直升机动力驱动源,它的动态响应特性会随无人直升机飞行状况改变而变化。     

某型无人直升机前飞段仿真建模与试飞验证

针对某型无人直升机无铰式旋翼技术验证和飞行试验需求,建立了能够用于实时仿真的非线性飞行动力学模型,并基于经典PID控制算法完成了飞行控制律设计。为验证理论模型准确性和控制参数合理性,相继开展了盘旋飞行和大速度飞行的半物理仿真和飞行试验,并基于飞行试验控制效果评估完成了部分控制参数的优化设计。数据分析表明:半物理仿真和飞行试验的时域响应和配平特性均吻合较好,验证了非线性飞行动力学模型的准确性;飞行试验中无人直升机姿态和速度响应均能够较好地跟踪其设定值,所设计的飞行控制参数能够满足某型无人直升机稳态飞行控制要求。     

基于DMC-PID复合控制的无人直升机飞控系统设计

建立了某型无人直升机的线性化模型,并对动态矩阵控制算法进行了相关的理论研究,结合经典的PID控制应用至某型无人直升机飞行控制系统控制律.经仿真验证,该设计方法可行、合理.     

可动平尾对直升机纵向飞行品质的影响

简单介绍了直升机纵向飞行品质对平尾设计的基本要求，提出了可动平尾的设计思想，概述了直升机的可动平尾的工作原理及其工作环境。然后主要分析了可动平尾对直升机纵向飞行品质的有利影响，其中包括可动平尾的“主动控制”能力、“低速配平”能力和“总距配平”能力。分析表明，可动平尾设计是直升机构型造反和初始设计时一个较理想的方案。     

基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

提出了一种改进的无人直升机H_∞回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术引入到无人直升机高带宽控制器设计,根据飞行扫频数据,得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应,依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型,采用改进的H_∞回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器,针对H_∞回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题,利用了最大右约数(GCRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比,使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度,系统的解耦性和频带也显著提高,而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证,所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。     

基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统

设计了一种基于加速度计和角速率陀螺的超小型无人直升机姿态控制系统；由卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺数据，实时估计最优的直升机姿态信号；根据最优的姿态反馈信号，飞行控制系统采用参数自整定的模糊PID控制方法得到舵机控制信号，从而实现了超小型无人直升机的姿态控制。