基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。     

倾转旋翼机的多体运动建模与仿真(英文)

现有的倾转旋翼机建模着重于研究其复杂的气动特性,在飞行动力学运动方程方面则研究不足,均采用了普通固定翼飞机的六自由度刚体动力学方程。然而,倾转旋翼机在过渡模式,旋翼和短舱的倾转使飞机构型产生动态变化,除了造成气动力干扰以外,旋翼和短舱的倾转还会引起重心变化,而且由于高速旋转的旋翼倾转会产生陀螺力矩效应,造成对机体的姿态干扰,采用六自由度刚体动力学方程不能反映由此造成的多体惯性耦合问题。为此,本文提出将旋翼、短舱、机体视为不同运动实体,建立倾转旋翼机的多体动力学方程,以完善其飞行动力学建模。建模过程中首先对各个微元运用牛顿定律和角动量定理,然后对各实体积分得到了惯性系下多体动力学方程,最后通过转换得到机体坐标系下的多体动力学方程组。该方程组在形式上为隐式非线性微分方程组,需首先求解状态微分量的相容初值。然后采用Runge-Kutta-Felhberg积分算法,对隐式非线性微分方程组进行了数值仿真。以XV-15数据为例对模型和仿真算法进行检验,结果表明模型和仿真算法正确。建立的模型和采用的仿真算法对研究倾转旋翼机飞行动力学特性、飞行控制技术、飞行安全问题有重要的理论和实际意义。     

倾转旋翼机悬停建模与实验

以自行设计的倾转旋翼机为研究对象,建立悬停模式下纵向动力学模型。通过悬停实验,对倾转旋翼机的分系统——舵机模型、旋翼气动力模型和悬停纵向模型进行了仿真验证。结果表明,模型能反映倾转旋翼机悬停模式的基本特性,可为飞行控制系统设计提供依据。     

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。     

倾转机翼无人倾转旋翼机飞行动力学稳定性分析

为了研究倾转机翼无人倾转旋翼机的稳定性,发展了一种倾转机翼无人倾转旋翼机飞行力学模型,并开展了仿真研究。旋翼气动模型采用动量-叶素理论,机翼、尾翼和机身的气动模型在升力线气动理论的基础上结合了旋翼动量源方法以计入旋翼尾流的气动干扰影响。在全机飞行力学模型配平的基础上开展了动力学稳定性分析,并与常规倾转旋翼机飞行动力学特性进行了对比分析。研究结果表明:倾转机翼无人倾转旋翼机在悬停状态下,表现出俯仰角衰减迅速的稳定模态;在直升机模式小速度前飞时,改变重心位置及机翼倾转段面积可使机体纵向振荡模态发散速度减缓,系统稳定性增强。     

倾转机翼无人倾转旋翼机飞行动力学稳定性分析

为了研究倾转机翼无人倾转旋翼机的稳定性,发展了一种倾转机翼无人倾转旋翼机飞行力学模型,并开展了仿真研究。旋翼气动模型采用动量-叶素理论,机翼、尾翼和机身的气动模型在升力线气动理论的基础上结合了旋翼动量源方法以计入旋翼尾流的气动干扰影响。在全机飞行力学模型配平的基础上开展了动力学稳定性分析,并与常规倾转旋翼机飞行动力学特性进行了对比分析。研究结果表明：倾转机翼无人倾转旋翼机在悬停状态下,表现出俯仰角衰减迅速的稳定模态;在直升机模式小速度前飞时,改变重心位置及机翼倾转段面积可使机体纵向震荡模态发散速度减缓,系统稳定性增强。     

倾转旋翼机冗余操纵的舵面分配策略和飞行转换路径分析

倾转旋翼机的不同舵面存在冗余操纵,而冗余舵面的分配策略和飞行转换路径对其控制重构具有重要的意义。对建立的小型无人倾转旋翼机全量非线性飞行动力学模型在不同飞行模式下的进行配平计算、模型线化后,求出单位操纵面位移所引起的俯仰、滚转和偏航力矩的改变量,即考察倾转旋翼机各操纵面的操纵功效,并对其结果进行详细分析,以确定倾转旋翼机的冗余舵面控制重构能力;确定各飞行模式下倾转旋翼机的操纵方式,给出舵面分配策略的权重系数矩阵;在此基础上,提出三种不同的全模式飞行转换路径方案,并分别计算三种方案下倾转旋翼机的飞行速度与前倾角、姿态角及操纵量的关系。结果表明:三种方案都能实现对飞行器的合理操纵,表明倾转旋翼机的冗余舵面控制重构是可以实现的。     

横列式双倾转旋翼机控制系统研究CSCD

针对横列式双倾转旋翼机平飞加速过渡过程中的标称速度轨迹跟踪问题,提出了通过升力占比划分过渡阶段,实现标称轨迹的工程化设计。基于经典PID理论,分别设计了各过渡阶段各通道控制律和控制参数,提出了总距余弦分配的操纵分配方法,并解决了过渡过程中严重的纵垂向耦合问题。仿真结果表明,该纵向控制策略在强干扰下仍可以实现对象飞行器的平稳过渡。     

倾转旋翼机机翼前掠角对副翼操纵性能的影响

基于倾转旋翼机飞行动力学方程与厚翼型机翼的空气动力学的相关理论,对倾转旋翼机过渡阶段复杂的旋翼流场进行了分析,论述了发动机短舱转角的变化和机翼失速拓展特性对副翼操纵性能的影响。以V-22倾转旋翼机为算例,建立了机翼有/无前掠角的实体模型,由等功率过渡段速度特性公式和迎角特性公式求出飞机在等功率过渡模式相应发动机短舱转角下的相关飞行参数,对不同发动机短舱转角下不同的模型进行了数值模拟计算。计算结果表明倾转旋翼机机翼前掠角有改善副翼在大迎角下的操纵性能的作用。     

倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化

利用最优控制方法研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程,并得到最优操纵策略,使得由时间、姿态角变化以及驾驶员工作负荷等组成的性能指标达到最小。首先,在基本纵向刚体飞行动力学模型的基础上引入混合操纵方程,并使用杆量位移的一阶导数作为控制量,形成适用于计算倾转旋翼机动态倾转过渡过程的飞行动力学模型,从而能在动态倾转操纵策略优化过程中考虑到操纵系统特性对操纵量变化速度的限制,以及避免操纵量在优化过程中出现跳跃不连续。然后,将倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,建立合理的性能指标,并采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,分别计算正向和逆向最优动态倾转过渡过程,并与驾驶员飞行仿真数据进行对比。结果表明:飞行状态量的时间历程与文献吻合地较好,且俯仰姿态角和杆量位移变化更加柔和。最优控制方法可以用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。     

Time-varying linear control for tiltrotor aircraft

Tiltrotor aircraft have three flight modes: helicopter mode, airplane mode, and transition mode. A tiltrotor has characteristics of highly nonlinear, time-varying flight dynamics and inertial/control couplings in its transition mode. It can transit from the helicopter mode to the airplane mode by tilting its nacelles, and an effective controller is crucial to accomplish tilting transition missions. Longitudinal dynamic characteristics of the tiltrotor are described by a nonlinear Lagrange-form model, which takes into account inertial/control couplings and aerodynamic interferences. Reference commands for airspeed velocity and attitude in the transition mode are calculated dynamically by visiting a command library which is founded in advance by analyzing the flight envelope of the tiltrotor. A Time-Varying Linear (TVL) model is obtained using a Taylor-expansion based online linearization technique from the nonlinear model. Subsequently, based on an optimal control concept, an online optimization based control method with input constraints considered is proposed. To validate the proposed control method, three typical tilting transition missions are simulated using the nonlinear model of XV-15 tiltrotor aircraft. Simulation results show that the controller can be used to control the tiltrotor throughout its operating envelop which includes a transition flight, and can also deal with vertical gust disturbances.     

倾转三旋翼无人机过渡模式纵向姿态控制

对倾转三旋翼无人机过渡模式下定高转换的纵向姿态控制进行了研究,为提高纵向操纵效能、解决操纵冗余问题,设计了模态转换中的操纵控制方案;采用牛顿-欧拉法对飞机进行动力学建模分析,建立了纵向动力学模型并给出了过渡转换路径;通过操纵效能分析对两种操纵机制进行分配,给出了操纵分配的权重和控制律.仿真和实验样机飞行试验地面站数据分析结果表明,按照所设计的操纵分配方案和控制律对飞机过渡模式进行纵向控制,能够使飞机保持平稳过渡.     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析与试验

基于多体动力学分析方法建立倾转旋翼过渡状态瞬态响应分析模型,研究过渡状态下倾转旋翼非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲的影响,修正了直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡状态的多体动力学方程,建立倾转旋翼过渡状态下时域非定常耦合分析模型。以两片桨叶的跷跷板旋翼为例,分析倾转过渡状态旋翼瞬态挥舞响应及旋翼气动力的时间响应历程。利用旋臂式模型机动飞行试验机进行倾转过渡状态下旋翼瞬态拉力的试验研究,试验与理论计算结果表现出很好的相关性。数值计算和试验结果表明:建立的时域模型能够有效分析倾转旋翼过渡状态的瞬态特性;倾转过渡状态旋翼尾迹弯曲对非定常动态入流的影响是显著的,对于倾转过渡状态动态入流尾迹弯曲的修正是很必要的。      

倾转旋翼机模型线性化及稳定性分析

在建立倾转旋翼机非线性动力学方程的基础上,推导了线性模型系数矩阵中各元素的求解式。利用各模式下的配平结果,计算了相应的线性化模型。通过对线性化模型系统矩阵特征值的分布情况,分析了倾转旋翼机的本体稳定性。给出的线性化方法通用性强,适合于任意飞行状态下线性模型的计算。     

面向智能空战的它机协同试飞验证方法

为验证无人机自主协同算法在空战环境下的适用性，提出了一种高等效的它机协同试飞验证方法。根据算法功能实现的需求，以成熟的民用固定翼无人机平台为基础进行改装，搭建它机试飞平台，对真实空战环境开展模拟和等效设计。以四机协同编队算法为例，在试飞平台上移植算法程序，开展相关科目试飞验证。当需要验证不同控制算法时，无需针对它机试飞平台开发控制策略，只需修改控制算法即可。试验结果表明：编队综合误差较小，算法能够实现无人机编队的稳定控制；同时，它机协同试飞验证方法因其迭代速度快、安全稳定性高、成本低等特点，可用作中间阶段算法的前置试飞手段，为算法的开发迭代提供有效验证。     

倾转旋翼飞机建模与仿真

倾转旋翼飞机的旋翼既要充当直升机飞行模态的旋翼,又要充当固定翼飞行模态的螺旋桨。为了研究倾转旋翼飞机的控制问题,建立了倾转旋翼飞机的数学模型。其中旋翼模型采用改进了的叶元法,旋翼诱导速度计算采用改进了的动量法。在MATLAB/SIMULINK环境下进行了仿真,并给出了仿真结果。仿真结果表明模型可反映倾转旋翼飞机的基本特性,可对飞行控制系统设计提供帮助。     

倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析

倾转旋翼机的机翼端部装有一个可倾转的旋翼.所建立的倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析简化模型由一个机翼和一个螺旋桨旋翼组成.机翼承受垂向弯曲、弦向弯曲和扭转变形,螺旋桨旋翼的桨叶认为是刚性的并承受一阶挥舞和摆振.机翼和螺旋桨旋翼的空气动力学载荷由准定常片条理论得到.利用此模型在高入流状态下建立运动微分方程,对倾转旋翼机在前飞状态下的动力学稳定性进行计算,计算结果与Bell公司试验结果基本一致,表明该模型可用于倾转旋翼机的前飞动力学稳定性分析.      

飞机机动飞行时的隐模型控制器设计

为提高飞机的过失速机动能力，参考X-31A飞机的飞行控制系统模型，对非线性因素如气动力、陀螺惯性耦合以及重力影响进行补偿后，按飞行品质要求采用隐模型跟踪法设计了某机的反馈控制器，计算仿真表明，该控制器能够较好地发挥飞机的操纵潜力，可使飞机在获得较好的过失速机动能力的同时具有较为满意的飞行品质，引入推力短量控制，可增加飞机的操纵效能，从而增强控制器效果。