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倾转旋翼飞行器飞行可视化仿真

王伟志  
【摘要】:倾转旋翼飞行器综合飞机与直升机的优点,不仅可有效满足短距和垂直起降的要求,而且可实现高速巡航,具有较大的航程,目前已有广泛的军事应用。在民用方面,倾转旋翼飞行器极有可能作为下一代短程空中运输工具,以利用其短距和垂直起降特性缓解空中交通系统的拥堵问题。 本文以样例倾转旋翼飞行器为研究对象,建立其非线性飞行动力学模型,以此模型为被控对象初步设计飞行控制系统,构建可视化环境并进行仿真验证。可视化仿真平台由开源飞行模拟器FlightGear和建模仿真软件包Simulink组成,FlightGear用于建立可视化视景环境,实时显示倾转旋翼飞行器飞行状态和飞行过程,Simulink用于建立倾转旋翼飞行器飞行动力学模型,利用RTW技术生成外部可执行软件,外部可执行软件作为FlightGear的外部飞行动力学模型,为可视化显示提供实时数据,倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的输入输出数据通过封装UDP数据包提供给FlightGear软件,FlightGear自动接收并解包,并借助视景系统完成三维可视化。 在飞行动力学建模方面,采用DatCom软件计算机翼、机身、尾翼等的升阻力及力矩系数,采用叶素法计算倾转桨所产生的拉力,根据欧拉方程组得到倾转旋翼飞行器的完整飞行动力学模型。倾转旋翼飞行器具有三种飞行模态,分别为直升机模态、飞机模态和过渡模态,三种飞行模态下的飞行动力学特性相差较大,采用小扰动方法分别得到三种飞行模态下的线化动力学模型,并分析其稳定性与操纵性。在飞控系统设计方面,针对不同的线性动力学模型,采用极点配置法设计倾转旋翼飞行器的增稳系统,以改善不同飞行模态下的飞行品质。 针对样例倾转旋翼飞行器飞行仿真可视化要求,设计完成了样例倾转旋翼飞行器的三维模型,制定视景系统与飞行动力学模型间的通信协议。视景系统三维可视化、动力学模型计算、飞行控制系统模型计算三部分设计相互独立,可使各专业设计人员着重关注自己的研究内容,加快项目研究进程。


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