基于馬格納斯效應(yīng)控制舵的涵道飛行器及控制策略.pdf

1、涵道飛行器具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)動靈活，人機(jī)交互安全等特點，可實現(xiàn)垂直起飛降落以及空中懸停等飛行特性，其氣動效率高，有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力。本文針對現(xiàn)有采用葉片控制機(jī)構(gòu)的涵道飛行器所存在的控制力矩非線性飽和對升力產(chǎn)生波動的問題，提出了基于馬格納斯效應(yīng)的涵道飛行器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為四個呈十字對稱安裝在涵道底部的空心輪作為控制機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)空心輪的旋轉(zhuǎn)速度和方向?qū)里w行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，其輸出的控制力矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系是線性的。本文針對所提出的基于馬格納斯效

2、應(yīng)的涵道飛行器，從空氣動力學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)、控制理論和實驗的角度展開研究。
　　采用計算空氣動力學(xué)的方法完成基于馬格納斯效應(yīng)的涵道飛行器的研制。建立了三維涵道飛行器模型和流場網(wǎng)格劃分，對涵道飛行器的懸停和前飛兩種飛行狀態(tài)進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，驗證了基于馬格納斯效應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)涵道飛行器姿態(tài)控制。作為涵道飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件，對空心圓筒進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，證實了三維幾何尺寸下的馬格納斯效應(yīng)；通過對圓筒及啞鈴形的對比分析，確立

3、了提升馬格納斯效應(yīng)效率的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在空氣動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對涵道、圓筒和啞鈴形進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并使控制機(jī)構(gòu)處于涵道飛行器合適位置，使其受外部流場影響最小。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使涵道飛行器的結(jié)構(gòu)更加合理，充分利用了馬格納斯效應(yīng)，使涵道飛行器的姿態(tài)直接由馬格納斯效應(yīng)產(chǎn)生的空氣動力來控制，為飛行試驗研究提供了依據(jù)。
　　從系統(tǒng)動力學(xué)角度對涵道飛行器進(jìn)行建模，得到涵道飛行器整體動力學(xué)模型。根據(jù)自由剛體運動學(xué)建立了涵道飛行器本體坐標(biāo)系和姿

4、態(tài)角表示方法，通過姿態(tài)運動學(xué)分析，得出涵道飛行器的線運動和角運動的運動方程。建立了含有空心輪和螺旋槳自由度的涵道飛行器的運動模型。由庫塔-儒科夫斯基升力理論和馬格納斯效應(yīng)原理建立了旋轉(zhuǎn)空心輪的力—轉(zhuǎn)速模型。采用拉格朗日方法建立了涵道飛行器整體非線性動力學(xué)方程模型。為涵道飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計和涵道飛行器的可行性驗證奠定了基礎(chǔ)。
　　涵道飛行器是復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其跟蹤軌跡和運動中姿態(tài)鎮(zhèn)定問題仍是研究的重點和難點。為此，提出了一

5、種基于虛擬力（力矩）導(dǎo)向的涵道飛行器控制策略。與現(xiàn)有控制策略相比較，該控制策略直接采用了考慮控制舵和螺旋槳運動的整體動力學(xué)方程，理論上解決了期望控制輸入與執(zhí)行器機(jī)構(gòu)（馬格納斯效應(yīng)器和螺旋槳系統(tǒng)）各項命令之間的非線性映射問題。通過閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，證明了該控制策略能夠使飛行器在軌跡跟蹤過程中保持姿態(tài)鎮(zhèn)定。在完成控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上對涵道飛行器的仿真分析，從仿真結(jié)果可知，實現(xiàn)了良好的軌跡跟蹤和姿態(tài)鎮(zhèn)定。
　　由于涵道飛行器動力學(xué)模型極

6、為復(fù)雜，導(dǎo)致控制計算量大，從實用化的角度提出了線性分層控制策略。對復(fù)雜非線性動力學(xué)模型進(jìn)行線性化，得到涵道飛行器的運動分解模型。以期望控制輸入與執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項命令之間的非線性映射模型為基礎(chǔ)，揭示了機(jī)身動力學(xué)和控制機(jī)構(gòu)之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，設(shè)計了一種簡易實用型解耦網(wǎng)絡(luò)，最終建立了一種以機(jī)身控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器分離設(shè)計為基礎(chǔ)的線性分層控制策略?；隰敯艨刂评碚?，設(shè)計了外層控制器（機(jī)身控制器），并通過對上層的控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析和外部擾動對系統(tǒng)

7、狀態(tài)誤差的奇異值分析，得出了線性分層控制策略能夠保證系統(tǒng)收斂并穩(wěn)定的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析。針對由偏航運動和由系統(tǒng)模型簡化導(dǎo)致的未建模不確定性所引起的波動，提出了一種非線性耦合項補(bǔ)償策略。為進(jìn)一步驗證所設(shè)計的線性分層控制器的控制效果，以前面提出的整體動力學(xué)方程作為虛擬飛行器，對其進(jìn)行連續(xù)命令飛行、階躍響應(yīng)和自由飛行三種飛行模式的仿真。結(jié)果表明，控制器能夠使涵道飛行器整體閉環(huán)動力學(xué)模型穩(wěn)定并達(dá)到良好控制效果。
　　為