基于馬格納斯效應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，機動靈活，人機交互安全等特點，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，有較強的抗風能力。本文針對現(xiàn)有采用葉片控制機構(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、應的涵道飛行器，從空氣動力學、系統(tǒng)動力學、控制理論和實驗的角度展開研究。
　　采用計算空氣動力學的方法完成基于馬格納斯效應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)進行空氣動力學分析，驗證了基于馬格納斯效應的控制機構(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)行機構(gòu)的主要部件，對空心圓筒進行空氣動力學分析，證實了三維幾何尺寸下的馬格納斯效應；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效率的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在空氣動力學分析的基礎(chǔ)上，對涵道、圓筒和啞鈴形進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并使控制機構(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，使涵道飛行器的姿態(tài)直接由馬格納斯效應產(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)動力學角度對涵道飛行器進行建模，得到涵道飛行器整體動力學模型。根據(jù)自由剛體運動學建立了涵道飛行器本體坐標系和姿

4、態(tài)角表示方法，通過姿態(tài)運動學分析，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方程模型。為涵道飛行器的控制系統(tǒng)設計和涵道飛行器的可行性驗證奠定了基礎(chǔ)。
　　涵道飛行器是復雜的非線性強耦合系統(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方程，理論上解決了期望控制輸入與執(zhí)行器機構(gòu)（馬格納斯效應器和螺旋槳系統(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模型極

6、為復雜，導致控制計算量大，從實用化的角度提出了線性分層控制策略。對復雜非線性動力學模型進行線性化，得到涵道飛行器的運動分解模型。以期望控制輸入與執(zhí)行機構(gòu)各項命令之間的非線性映射模型為基礎(chǔ)，揭示了機身動力學和控制機構(gòu)之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，設計了一種簡易實用型解耦網(wǎng)絡，最終建立了一種以機身控制器和執(zhí)行機構(gòu)控制器分離設計為基礎(chǔ)的線性分層控制策略。基于魯棒控制理論，設計了外層控制器（機身控制器），并通過對上層的控制系統(tǒng)進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)上進行了系統(tǒng)階躍響應分析。針對由偏航運動和由系統(tǒng)模型簡化導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償策略。為進一步驗證所設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方程作為虛擬飛行器，對其進行連續(xù)命令飛行、階躍響應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)動力學模型穩(wěn)定并達到良好控制效果。
　　為