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共轴旋翼风扇无人直升机建模与飞行控制技术研究

宋弘毅  
【摘要】:共轴旋翼风扇无人直升机是一种新构型垂直起降无人飞行器,相较于旋翼尾桨结构的常规无人直升机,具有结构体积小、悬停及小速度飞行时气动效率高等优异的性能,尤其适合于信号中继、战术侦查以及目标指示等任务。本文以共轴旋翼风扇无人直升机为研究对象,对该构型无人直升机飞行动力学特性建模以及飞行控制技术进行研究,主要研究内容与成果如下:首先,介绍了共轴旋翼风扇无人直升机的气动结构特点及操纵特性,结合飞行动力学原理以及吹风试验数据建立了样例无人直升机的全量非线性动力学模型以及起降阶段地面效应的气动耦合模型,并基于小扰动线性化理论分析了样例无人直升机典型飞行模式下的运动模态特征,操纵耦合以及稳定特性。其次,针对样例无人直升机飞行模态变化而引起的执行机构饱和问题,提出将指令信号幅值作为约束条件引入非线性控制算法的求解过程,设计了具有抗饱和性能的无人直升机非线性姿态控制器,并对所提出控制算法的稳定性进行了理论分析。仿真结果表明,所提出的姿态控制算法能够有效抑止执行机构饱和现象,同时具有更快速的姿态指令跟踪性能,能够满足姿态回路的控制要求。最后,针对样例无人直升机起降过程中因地面效应引起的飞行模态突变问题,提出了一种基于切换系统理论的自动起降控制算法,通过以飞行高度为切换信号实现非线性控制器在不同模态间的自动切换,并以多Lyapunov函数理论证明了所提出控制方法的稳定性。仿真实验表明,所提出的切换控制算法能够有效改善无人直升机起降过程的飞行性能,满足着陆触地状态下姿态和速度约束的设计要求。


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