混合动力复合翼应急迫降在线航迹规划与制导

针对混合动力复合翼飞行器巡航模式下空中停车后无动力应急迫降（VTOL）问题，提出在线航迹规划与制导方法。根据复合翼空中停车时初始位置/航向不确定散布，发展一套满足动力学约束、终端约束的三维航迹在线规划方法：利用几何规划方法快速生成扩展Dubins二维航迹，再根据下滑性能约束进行三维扩展。针对低速无动力下滑航迹跟踪更易受风干扰以及三维航线分段连接处曲率不连续的特性，发展一种基于非线性模型预测控制的三维制导算法。将纵横解耦的制导律嵌入到预测模型框架内，跟踪误差、外界风扰动、航迹曲率不连续等非线性因素则通过系统输出建立目标约束，其后利用滚动优化实时求解制导指令。最后对航迹在线规划方法与三维制导律的适用性进行仿真分析与验证，结果表明所提出的航迹规划方法适用于不确定初始位置/航向散布的应急迫降在线规划，所提的制导算法具备抵抗风扰、提高三维制导精度的能力。     

推力矢量型V/STOL飞行器动态过渡过程的操纵策略优化

针对推力矢量型垂直/短距起降（vertical/short takeoff and landing, V/STOL）飞行器的动态过渡过程模型,综合考虑过渡走廊限制、操纵冗余及不同起降任务需求指标,研究最优过渡操纵策略。考虑V/STOL飞行器的喷射气流效应,对飞行器进行全量动力学建模。利用可达平衡集方法,建立通用过渡走廊计算框架。设计了能够在V/STOL过渡段和高速飞行间平稳过渡的操纵方式。将推力矢量飞行器的动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,根据不同起降任务特点建立合理的指标和约束,采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解,得出不同任务特点下的最优操纵策略与过渡过程。采用可达平衡集计算过渡走廊的方法,不仅不受飞行器类型的限制,更简化了构造过程,具有良好的通用性与鲁棒性。以光滑过渡为目标的优化结果使得飞行员在飞行器过渡过程中的操纵量变化大幅减小,从而使得飞行员能更加专注于对飞行器运动的操纵;以距离更短为目标的优化结果则使得降落过程的飞行距离缩短了30%左右。从操纵策略出发的优化结果使得驾驶员能够更好掌握操纵关注点及边界,增加了整个动态过渡过程的安全性。     

复合翼无人机加速段纵向飞行特性分析与控制设计

针对高成本的大型复合翼(VTOL)无人机(UAV)从悬停到巡航的纵向加速飞行转换阶段开展气动/控制综合研究。基于叶素动量(BEMT)理论建立斜向入流下旋翼气动载荷计算模型，并与CFD算例对比验证其准确性。分析出旋翼系统引起整机焦点前移产生静不定效应，其中心应置于全机重心之后。仿真对比不同加速策略下的加速特性、控制效能余量等指标，给出-5°俯仰角，定推进油门的加速策略。考虑控制输入冗余，作动器动态响应不同，引入虚拟控制量的概念，采用频域分解的效能分配准则实现静态分配。考虑建模误差，设计L1自适应姿态控制框架实现动态控制增稳，拉偏仿真验证其鲁棒性。飞行试验验证了所述建模方法、加速策略及控制律框架的有效性。      

基于L1自适应推力矢量型V/STOL飞行器增稳控制

针对推力矢量型V/STOL飞行器起降过渡阶段动力系统转换过程存在的控制量耦合与冗余问题,设计了相应的内环增稳控制器和控制分配策略。首先,利用喷射气流效应经验公式建立了带升力损失项的动力系统与飞行动力学模型。然后,采用非线性动态逆方法设计了外环控制律,采用L1自适应控制方法设计了内环控制律,以补偿系统建模误差及参数不确定性的影响。最后,根据控制冗余度,基于效能分配准则设计了控制分配策略,实现了控制解耦,并进行了仿真验证。蒙特卡洛打靶仿真结果表明,即使存在较大参数摄动,控制器仍然可以很好地跟踪参考输入,这说明设计的控制器控制性能与鲁棒性良好。