倾转旋翼机模态切换及其巡航任务规划研究

发布时间：2020-04-01 07:18

【摘要】：倾转旋翼机是一种兼具了固定翼飞机和旋翼飞机飞行特点的新型飞机。由于其具有垂直起降、巡航速度快等特点,从上世纪八十年代以来关于倾转旋翼机的研究在航空航天领域掀起了一股热潮。由于倾转旋翼机结构复杂、系统的耦合性强、多模态飞行的特点,建立准确的数学模型并设计合理的控制器是研究的难点所在。本文以一种四旋翼起降、前端双旋翼倾转(DTR)的新型倾转旋翼无人机为研究对象,以实现飞行模态稳定切换和巡航任务规划为目标展开研究,主要工作内容如下:本文首先根据DTR无人机自身受力特点和空气动力学原理,对机身各部分受力情况和力矩进行了分析。建立了惯性坐标系、旋翼坐标系和机体坐标系,运用牛顿-欧拉公式建立了 DTR无人机的动力学模型。针对无人机不同的飞行模态,根据假设条件对模型做了合理的简化,并最终建立了 DTR无人机垂直起降、模态切换阶段的动力学模型。针对垂直起降阶段,根据所建立的动力学方程采用经典的四旋翼起降方案运用双环PID控制方法设计了无人机起降姿态控制器,并通过仿真实现了定点起飞和对姿态的有效控制。针对前端双旋翼倾转即模态切换阶段,由于系统的高度耦合并且欠驱动的特性,利用反步法使子系统逐级镇定并最终设计了能够实现模态切换平稳过渡的非线性控制器。通过仿真表明,该控制器能够实现模态切换的平稳过渡。最后,利用线性时序逻辑(LTL)理论为倾转旋翼机进行巡航任务规划。首先建立了倾转旋翼机的飞行环境模型并将其转化成可扩展加权切换系统。其次将巡航任务用LTL公式进行描述并用LTL2BA工具将其转化成Buchi自动机。再将切换系统与Buchi自动机做笛卡尔乘积生成Product自动机。最后在飞行约束条件下利用粒子群算法为倾转旋翼机进行路径寻优。通过仿真实验,此方案能使倾转旋翼机有效地完成既定的巡航任务并保持姿态的稳定。
【图文】：

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图１．４韩国ＴＲ－６０无人机逦图１．５以色列黑豹无人机逡逑以色列的无人机技术一直处于世界领先行列。以色列航宇工业公司（ＩＡＩ）于逡逑２０１０年研制出了一款名为“黑豹”（Ｐａｎｔｈｅｒ）的倾转旋翼无人机。“黑豹”装备逡逑３台电动机，两台可倾转电动机位于机翼根部，一台位于机身尾部提供升力，飞逡逑机动力由电池提供。其机翼翼展有２米、６米、８米三种可供选择，使用６米的翼展逡逑时可以载重８千克飞行６小时，最高速度可达到７０节。并且其机腹下方搭载自动导逡逑航系统及夜视摄像头，可提供战场实时影像信息。逡逑虽然我国在这一技术上的研宄起步较晚，但是发展速度迅猛，我国在功率超逡逑５０００ＫＷ的大功率涡轴发动机研发成功，为倾转旋翼机的研制打下了坚实的基础。逡逑“蓝鲸”是我国正在研发的一款新型倾转旋翼机，它是一种双固定翼四旋翼的结逡逑构，通过倾转四个旋翼完成飞行模态切换。“蓝鲸”的巡航速度为每小时５３８公逡逑里，最大速度有望达到７００公里每小时，可搭载２０吨货物，航程可达３１００多公里，逡逑实用升限为８６１５米。目前美国的新一代倾转旋翼机己经问世，而我国的“蓝鲸”逡逑仍在研制之中，在倾转旋翼机这一技术上我国与国际领先水平还存在不小的差距，逡逑一。逡逑

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ｂ逦＾邋ｇｔ邋＾逡逑１二二ｊＨｍＢＢ逡逑图１．２美国鹰眼无人机逦图１．３意大利ＢＡ６０９倾转旋翼机逡逑＇逦ｄ邋＇逦＂逡逑图１．４韩国ＴＲ－６０无人机逦图１．５以色列黑豹无人机逡逑以色列的无人机技术一直处于世界领先行列。以色列航宇工业公司（ＩＡＩ）于逡逑２０１０年研制出了一款名为“黑豹”（Ｐａｎｔｈｅｒ）的倾转旋翼无人机。“黑豹”装备逡逑３台电动机，两台可倾转电动机位于机翼根部，一台位于机身尾部提供升力，飞逡逑机动力由电池提供。其机翼翼展有２米、６米、８米三种可供选择，使用６米的翼展逡逑时可以载重８千克飞行６小时，最高速度可达到７０节。并且其机腹下方搭载自动导逡逑航系统及夜视摄像头，可提供战场实时影像信息。逡逑虽然我国在这一技术上的研宄起步较晚，但是发展速度迅猛，我国在功率超逡逑５０００ＫＷ的大功率涡轴发动机研发成功，为倾转旋翼机的研制打下了坚实的基础。逡逑“蓝鲸”是我国正在研发的一款新型倾转旋翼机，它是一种双固定翼四旋翼的结逡逑构
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;V249.1

【参考文献】