考虑交接班误差的RLV进场着陆轨迹和安全交接区设计

针对考虑交接班误差的重复使用运载器(RLV)无动力自动进场着陆段轨迹设计问题进行了研究。将整个自动进场着陆过程分成交接段、标称下滑段和标称拉平段3个阶段。在依据标称交接班状态、触地状态逆序完成拉平段、下滑段的标称轨迹设计的前提下,针对可能存在的交接班误差,提出一种综合考虑纵、侧向位置和速度交接班误差的交接段在线三维轨迹设计方法,并结合阻力舵调整策略,实现RLV从交接班点向标称轨迹的平滑过渡;然后,在交接段轨迹设计基础上提出了交接高度平面内"安全交接区域(SIA)"的概念及其求解方法。仿真结果表明:所提出的轨迹设计方法及SIA对存在交接班误差的无动力进场着陆轨迹设计问题具有实际的参考意义。     

倾转旋翼无人机过渡段纵向控制策略设计研究

针对倾转旋翼无人机过渡段纵向控制问题,基于工程化应用要求,以某型倾转旋翼无人机为研究对象,首先综述了国内倾转旋翼机的研究进展与发展趋势.其次分析了过渡段气动特性变化,根据过渡阶段的升力来源,将整个过渡过程划分为变距操纵段与气动操纵段,并根据各个阶段的前飞速度与短舱角的关系,确定倾转过渡方案.然后以操纵舵面分配方案为基础,设计了过渡过程各阶段纵向控制策略,并通过仿真验证了策略的鲁棒性,实现了对象无人机的全过程飞行.最后讨论了控制策略的优缺点,并展望了倾转旋翼无人机的发展前景及其在控制领域面临的挑战.     

基于过渡走廊的倾转旋翼无人机纵向控制研究

根据牛顿-欧拉法建立了倾转旋翼无人机的纵向动力学和运动学模型,针对倾转旋翼无人机过渡飞行模式中,升力与旋翼拉力难以平衡重力的问题,结合具体机型,提出了一种无周期变距构型的倾转旋翼无人机倾转过渡走廊的计算方法,并在走廊中设计了一条合理的过渡轨迹。根据所设计的过渡轨迹和无人机气动特性,将倾转过程分为三个阶段,提出了一种工程上易于实现的过渡段纵向控制策略,针对控制策略分别设计了串级PID控制器。最后通过数字仿真以及飞行试验验证了过渡段纵向控制策略和控制律的合理性。     

基于单参数迭代的TAEM在线轨迹生成方法

针对大升力体轨道再入飞行器末端能量管理（TAEM）段制导控制能力强、末端约束不惟一的问题，将TAEM段分为动压跟踪和着陆预备2个阶段，设计了不同的纵向轨迹剖面，从而将TAEM段在线轨迹生成问题转化为单参数搜索问题。第1阶段设计标称动压剖面为纵向参考轨迹，使得飞行器过程约束得到保证。第2阶段纵向剖面设计为标称高度剖面，从而使得末端点高度和倾角约束得到保证。根据末端动压误差设计修正律，迭代修正第一阶段动压剖面，从而使得最终的纵向轨迹满足所有的状态约束。在线轨迹递推采用以时间为自变量的数值积分，递推过程引入闭环制导律，通过实时修正攻角跟踪纵向剖面，修正倾侧角跟踪地面轨迹，从而保证在线生成的轨迹符合物理特性，降低闭环制导难度。在考虑初期再入末端大范围状态散布情况下，数值仿真显示了所提算法的鲁棒性。     

组合动力飞行器吸气段轨迹设计方法研究

水平起降组合动力可重复使用运载器是未来航天运输系统的重要发展方向。针对采用空气预冷涡轮火箭发动机的组合动力飞行器在吸气爬升段受多约束条件限制、动力与质量特性变化大的特点,提出了一种基于动压高度剖面的轨迹设计方法。通过推导基于高度的质点运动学方程,得到轨迹参数解算流程,并结合动压、迎角与法向过载的约束边界以及任务窗口确定动压高度剖面形状,从而得到满足要求的吸气段标称轨迹。在此基础上,设计了标称轨迹高度跟踪制导律。仿真结果表明,标称轨迹在吸气段多种不确定性偏差的影响下满足多约束要求,具有较强的鲁棒性。     

RCS/气动舵自适应控制分配方法研究

控制分配解决给定的期望控制力矩到各个可用的执行机构的分配问题.针对传统的基于控制策略的可重复使用运载器再入控制分配方法的不足,提出了一种基于混合整数线性规划的RCS/气动舵自适应控制分配方法;避免了控制策略依赖于具体标称弹道和飞行器飞行控制效率的特性,缩短了飞行控制系统的开发周期,增强了飞行任务的灵活性和自主性.仿真结果表明,所设计的控制分配方法是有效的,能够实现RCS和气动舵的自适应控制分配.     

基于μ分析的高超声速飞行器再入轨迹评估

为解决高超声速飞行器再入过程中存在的不确定性问题,将μ分析理论应用到标称再入轨迹的评估中.采用线性稳定储备准则,在密度、升力系数和阻力系数存在不确定性时,对标称轨迹在制导律下的制导稳定性进行了分析;根据所获得的最坏参数组合,采用系统的开环尼克尔斯曲线验证了μ分析的结果;分析了系统所能容纳的最大不确定性参数,并研究了系统对不同不确定性参数的敏感性.结果表明:在密度、升力系数和阻力系数不确定性中,阻力系数对该标称轨迹的鲁棒稳定性影响最为明显.     

基于非线性动态逆的舰载机直接升力航迹控制

针对舰载机人工进场着舰精确轨迹控制中飞行员操纵负担重、着舰环境复杂的问题,提出采用非线性动态逆(NDI)先进控制方法设计基于直接升力的舰载机精确着舰轨迹控制律。首先,综合分析了"魔毯"技术的控制策略,从航迹调整和姿态保持的直接升力解耦控制角度出发,设计了两层NDI回路;然后,采用合理的控制分配方法实现直接升力的舵面分配。仿真结果表明,所提出的精确着舰控制方法能够有效实现"魔毯"式航迹操纵。     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题,提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性,建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型;设计混合多目标优化性能指标评价函数,有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性,并减少舵面耗能;采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵,提高控制面操纵效率,加快优化搜索速度,快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配,保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时,通过多目标控制分配策略,飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器,降低系统设计难度,提高安全性。     

基于隐模型跟踪的倾转旋翼机飞行控制

针对倾转旋翼机过渡阶段的强耦合性和快时变性,基于隐模型跟踪法设计了过渡阶段的自主飞行控制律。首先,考虑短舱和旋翼相对机身运动带来的额外惯性力,建立了倾转旋翼机的多体动力学模型;然后,通过飞行动力学特性分析发现倾转旋翼机过渡阶段具有强耦合性和快时变性;最后,针对强耦合性使用隐模型跟踪法实现了固定倾转角时的解耦控制,针对快时变性使用插值调用控制参数的方法实现了倾转旋翼机在整个过渡阶段的连续控制。仿真结果表明,隐模型跟踪控制系统能够达到良好的速度和轨迹跟踪效果,可以实现倾转旋翼机在过渡阶段的自主飞行仿真。     

倾转旋翼机过渡段纵向姿态控制技术研究

针对倾转旋翼机既存在拉力矢量控制又存在气动舵控制的复杂操纵特性,在纵向模型的基础上,给出了过渡段操纵控制方案和过渡段转换控制方案。对过渡段平衡点进行配平,计算得出配平工作点处各通道的操纵量,并设计了走廊曲线。采用PID控制和模糊整定技术对过渡段飞行控制系统进行设计,实现了倾转旋翼机从直升机模式到固定翼模式的平稳转换,并保持高度不变。仿真结果验证了所设计的过渡段控制方案的正确性和可行性。     

飞行器栖落机动轨迹可达域分析

飞行器的栖落机动被认为是解决舰载固定翼飞机超短距精确着舰的一种可行方式,已有研究主要集中于栖落过程大迎角气动力建模、标称栖落轨迹优化与轨迹跟踪控制,而鲜有对栖落着舰任务的总体分析。基于飞行器纵向栖落机动动力学模型,引入栖落轨迹可达域的概念,并给出可达域的数学描述;在此基础上,对可达域求解采用计算速度和精度兼具的高斯伪谱法,将可达域问题拆分为三个轨迹优化问题依次求解,首先求解栖落轨迹终端高度上边界,然后求解终端高度一定时的最近轨迹,最后求解终端高度一定时的最远轨迹,并给出相应的轨迹优化数学模型。结果表明：运用该模型及求解方法能快速得到计算结果,无动力飞行器的纵向栖落轨迹可达域为上窄下宽的不对称区域,且左右边界曲线线性度较好。     

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。     

Augmented flight dynamics model for pilot workload evaluation in tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure

An augmented flight dynamics model is developed to extend the existing flight dynamics model of tilt-rotor aircraft for optimal landing procedure analysis in the event of one engine failure.Compared with the existing flight dynamics model, the augmented model involves with more pilot control information in cockpit and is validated against the flight test data. Based on the augmented flight dynamics model, the optimal landing procedure of XV-15 tilt-rotor aircraft after one engine failure is formulated into a Nonlinear Optimal Control Problem(NOCP), solved by collocation and numerical optimization method. The time histories of pilot controls in cockpit during the optimal landing procedure are obtained for the evaluation of pilot workload. An evaluation method which can synthetically quantify the pilot workload in time and frequency domains is proposed with metrics of aggressiveness and cutoff frequencies of pilot controls. The scale of the pilot workload is compared with those of the shipboard landing procedures, bob-up/bob-down and dash/quickstop maneuvers of UH-60 helicopter. The results show that the aggressiveness of pilot collective and longitudinal controls for the tilt-rotor aircraft optimal landing procedure after one engine failure are higher than those for UH-60 helicopter shipboard landing procedures up to the condition of sea state 4, while the pilot cutoff frequency of collective control is lower than that of the bob-up/bob-down maneuver but the pilot cutoff frequency of longitudinal control is higher than that of the dash/quick-stop maneuver. The evaluated pilot workload level is between Cooper–Harper HQR Level 2 and Level 3.     

A homogenization-planning-tracking method to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems

Taxiing aircraft and towed aircraft with drawbar are two typical dispatch modes on the flight deck of aircraft carriers. In this paper, a novel hierarchical solution strategy, named as the Homogenization-Planning-Tracking (HPT) method, to solve cooperative autonomous motion control for heterogeneous carrier dispatch systems is developed. In the homogenization layer, any towed aircraft system involved in the sortie task is abstracted into a virtual taxiing aircraft. This layer transforms the heterogeneous systems into a homogeneous configuration. Then in the planning layer, a centralized optimal control problem is formulated for the homogeneous system. Compared with conducting the path planning directly with the original heterogeneous system, the homogenization layer contributes to reduce the dimension and nonlinearity of the formulated optimal control problem in the planning layer and consequently improves the robustness and efficiency of the solution process. Finally, in the tracking layer, a receding horizon controller is developed to track the reference trajectory obtained in the planning layer. To improve the tracking performance, multi-objective optimization techniques are implemented offline in advance to determine optimal weight parameters used in the tracking layer. Simulations demonstrate that smooth and collision-free cooperative trajectory can be generated efficiently in the planning phase. And robust trajectory tracking can be realized in the presence of external disturbances in the tracking phase. The developed HPT method provides a promising solution to the autonomous deck dispatch for unmanned carrier aircraft in the future.     

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。     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.