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。     

直升机飞行动力学数学模型研究特点分析

根据国内外直长机数学模型研究情况,从飞行动力学角分析直升机数学模型的特点。重点讨论了不同研究目的直或机飞行动力学模型的区别,即分别对以非实时数值仿真,实时数值仿真和控制律设计为目的的直升机模型进行分析,阐述其在模型的运动方程数学形式,子模型的复杂性和选取,模型精度以及模型的应用范围等方面的特点,并简要介绍了目前用于直升机飞行动力学特性研究的综合分析软件系统和试验相关性研究。     

无人直升机飞行控制技术发展综述

针对无人直升机飞行控制技术发展进行了简要综述。首先，介绍了无人直升机的典型特征、飞行控制系统的设计过程和设计中面临的挑战。然后，系统梳理了适用于中大型和微小型无人直升机的飞行动力学建模技术发展现状，总结了无人直升机的飞行控制算法，对比了各算法的优缺点，阐述了飞行品质发展现状。最后，给出了这一领域未来发展的建议。研究结果表明，无人直升机系统高度复杂，不同建模技术和控制策略各有利弊；在飞行控制系统设计时需综合考虑相关因素，权衡相关指标矛盾；在无人直升机飞行品质评估标准建立时，要充分考虑无人的特点，对有人直升机的飞行品质进行裁剪和优化。     

复合式共轴直升机飞行动力学数学模型研究

建立了复合式共轴直升机的飞行动力学数学模型。根据复合式共轴直升机的构型特点,计入上下旋翼,旋翼与机翼之间的相互气动干扰,建立了旋翼、机翼等部件的气动计算模型。以某小型复合式共轴直升机为例,运用牛顿迭代法完成了3种飞行模式下的配平计算,得到了从悬停到高速前飞各种飞行状态下的操纵量和状态量,分析了复合式共轴直升机飞行的物理...     

“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。     

直升机吊挂飞行动力学建模与分析

根据直升机吊挂飞行时的气动和飞行动力学特性,建立了直升机带吊挂物的飞行动力学模型,包括吊挂物和绳索的动力学模型,吊挂物的六自由度运动模型,其中吊索采用了柔性钢索模型,计入了吊挂模型的气动阻力,计算分析了外吊挂物对直升机配平特性和操纵响应的影响。     

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。     

直升机飞行动力学模型的验模方法研究

为验证所建立的直升机飞行动力学模型的正确性，根据先验数据建立了一套验模方法，确立了直升机飞行动力学建模过程的验模准则，分别给出针对配平，线化，操纵响应等计算项目结果正确性问题一般性的判断方法，研究了全状态线化模型，降阶模型及非线性模型之间的内在联系与适用范围，分析并得出操纵响应计算结果的正确性判别方法，最后，对直升机飞行品质评估中的频域与时域参数计算方法进行了讨论，针对实时飞行仿真应用的建模提出了一些见解。     

模型直升机悬停状态下飞行力学模型辨识

 直升机飞行力学模型的准确性对于直升机的控制系统设计具有非常重要的影响。采用常规的建模方法往往很难获得准确的飞行力学模型。为满足飞行控制系统设计的需要,提出了一种直升机飞行力学模型的系统辨识建模方法。该方法将机理建模方法与辨识建模方法相结合,首先利用状态子空间法获得直升机的近似飞行力学模型,再将机理建模提供的先验知识与子空间法辨识得到的模型相融合,限定主要参数,采用误差预报法进一步寻优得到较准确的直升机飞行力学模型。通过飞行试验,成功地辨识得到了悬停状态下模型直升机状态空间方程表达的线化飞行力学模型。所得的辨识结果能够准确预测出模型直升机的响应,可以应用于飞行控制系统设计当中。     

共轴式直升机线性系统建模

应用小扰动理论和数值法,对共轴式直升机飞行动力学非线性数学模型进行线性化,获得了用于操稳特性分析和控制系统设计的共轴式直升机线性化模型.以某型共轴式直升机为研究对象,计算其稳定性导数和控制导数,结果与俄罗斯计算结果基本一致,并对研究对象的稳定性进行了初步分析.     

直升机非线性运动方程及其数值分析

基于牛顿法建立了单旋翼带尾桨直升机的非线性运动方程，提出了一种求解直升机非线性运动方程的数值方法。建立方程时，用欧拉角描述直升机在空中的姿态，旋翼采用有挥舞铰且在铰上带有弹性约束的模型，桨盘处的入流采用线性模型，通过对一算例直升机的操纵响应进行数值仿真，将非线性与小扰动线性化的直升机运动方程进行了对比分析。结果表明：从操纵输入到随后的2s左右，非线性和小扰动线性化的直升机运动方程的计算结果非常接近，但在此之后，非线性运动方程的计算结果更能反映直升机的运动规律。     

新构型倾转旋翼无人机飞行力学建模

倾转旋翼无人机飞行力学模型是设计飞行控制律和分析飞行特性的基础。从一款在研的新构型倾转旋翼无人机工程实际出发,建立该无人机非线性飞行力学模型;分析新构型倾转旋翼机相比常规倾转旋翼机的特点和优势,建立直升机模式、倾转过渡模式和固定翼模式下各部件飞行力学模型;并针对直升机模式,对不同飞行速度进行配平及稳定性分析。结果表明:该构型倾转旋翼无人机直升机模式横航向模态具有很好的稳定性,直升机模式悬停状态横纵向模态基本没有耦合。     

直升机机动飞行的逆模拟

本文给出了一种直升机机动飞行的逆模拟方法以计算跟随预定飞行轨迹的驾驶员操纵,根据这一方法可以确定为完成直升机机动飞行所需的驾驶员操纵输入及直长机的飞行速度、角速度和的变化历程。直同飞行动力学模型没有作任何线化假设,其中考虑了旋翼入流的时滞效应、前行桨叶的压缩性物后行桨叶的失速特性及旋翼桨叶的非定常挥舞运动,引入了旋翼尾迹对直升机机身、尾翼和尾桨的气动干扰。最后以黑鹰直升机为例计算了鱼跃越障机动飞行     

用于高增益飞控系统设计的直升机纵向模型

在小扰动假设的条件下，研究了含有直升机旋翼挥舞动力学的纵向运动模型的建立方法，指出了准静态纵向运动方程的裨及限制，通过对实例的计算研究发现，机体对挥舞的影响可以忽略，模型可简化为机体和挥舞模型的串联。最后，在同一控制律作用下对运动稳定性进行了计算，结果表明含有挥舞动力学的纵向运动模型才能适用于高增益飞行控制系统的设计。     

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。     

直升机飞行动力学逆问题研究综述

直升飞机动力学逆问题是已知运动的控制规律,对直升机机动飞行和现代飞行控制律设计有重要意义。根据直升机飞行动力学逆问题研究的现状,概述现代飞行动力学逆问题的研究内容及进展,重点分析直升机逆仿真技术的特点,讨论直升机最佳机动控制与非线性控制律设计的途径与方法,展示直升机逆问题研究的前景以及存在的问题,供直升机设计和飞行动力学研究人员参考。     

基于涡环尾迹模型的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学建模

共轴刚性旋翼直升机上下旋翼间距小,旋翼间气动干扰较为复杂,影响飞行动力学特性。针对这一问题,利用涡环单元动态尾迹方法构建了共轴旋翼气动力模型,通过与风洞试验结果比对说明该模型能够准确地计算存在气动干扰时共轴旋翼的气动力特性。以该共轴旋翼气动力模型为基础,建立了共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为研究对象,计算了前进比为0~0.4时的配平特性。通过与飞行试验数据的比对发现：该飞行动力学模型与飞行试验结果比对良好;且模型计算速度较快。通过对配平结果以及旋翼尾迹运动的分析发现：共轴刚性旋翼直升机旋翼间气动干扰会增加悬停和低速前飞时的配平总距和总距差动;低速前飞时的纵向周期变距负梯度现象是由于旋翼间气动干扰与刚性旋翼挥舞运动特性叠加而造成的。     

直升机飞行动力学高阶线性系统建模

针对常规单旋翼带尾浆直升机,从复杂的飞行动力学非线性数学模型入手,采用数值方法在平衡点处求出线性模型;该线性模型包括传统的６自由度刚性机体模型,还包括主桨和尾浆动力入流、主桨和尾桨挥舞自由度,其状态空间形式具有２５个状态变量（５简称２５状态模型）。以某型直升机为例,对线性模型与非线性模型的时域动态响应,及２５状态高阶线性模型和传统６自由度９状态模型的特征值进行了比较,验证了建模方法的可靠性和精度。