无人自转旋翼机飞行控制技术研究

摘要

自转旋翼机结构简单、成本低、安全性好，拥有广阔的应用前景。旋翼机缺少动力学模型，滚转\偏航通道需要配平，高度与空速控制存在耦合，前轮纠偏容易引起侧翻，起降操纵有自身特点。本文以ELA-07自转旋翼机无人化改装为背景，设计飞行控制律实现自主起降与航路跟踪。
　　首先，进行旋翼机飞行参数采集试飞，基于试飞数据分析旋翼机飞行特性，并统计旋翼机各状态下的配平值。设计系统辨识的输入激励，基于激励数据对旋翼机模型的气动参数进行辨识，通过辨识的结果分析旋翼机的模型特性并以此建立旋翼机配平状态下的线性状态空间模型，为旋翼机飞行控制律设计奠定基础。
　　其次，分别从纵向和横侧向设计无人自转旋翼机的飞行控制律。纵向控制中，以俯仰角控制作为纵向控制的内回路，通过以桨盘纵向倾角控制空速、以发动机油门控制高度的非常规控制方案实现旋翼机的纵向控制。横侧向控制中，滚转角控制作为航迹控制内回路，通过控制桨盘横向倾角实现。在此基础上基于飞参采集数据给出了旋翼机的爬升、平飞、下滑的配平状态。
　　再次，在研究有人驾驶自转旋翼机起降阶段操纵方案的基础上，设计适合旋翼机自主起降的控制策略:自主起飞阶段，旋翼机需通过滑跑建立旋翼转速，在前轮抬起时迅速将桨盘下压使旋翼机快速加速到安全爬升的空速同时增加旋翼转速;自主着陆阶段，旋翼机全程保持空速控制直至触地，陡下滑段维持空速，拉起段通过空速软化实现减速，保证旋翼机的安全着陆。
　　然后，介绍无人自转旋翼机飞行控制系统的实现方案，包括系统的结构与功能、基于PowerPC5554的飞行控制计算机等硬件组成与飞行控制软件结构。并介绍了地面遥控遥测软件。
　　最后，搭建基于FlightGear的飞行仿真平台，并进行了半物理仿真验证，包括航路控制、起飞、着陆等过程。仿真结果验证了控制策略和控制律的正确性和鲁棒性，同时还验证了飞行控制系统的安全性。最后进行了旋翼机样机的滑跑试验并分析滑跑结果。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 旋翼机发展现状

1．2．2 无人旋翼机飞行控制研究现状

1．3 旋翼机飞行控制相关问题

1．3．1 空中控制问题

1．3．2 起降问题

1．4 本文研究内容

第二章 自转旋翼机特性分析

2．1 ELA-07旋翼机简介

2．2 旋翼机空中特性分析

2．2．1 参数采集试飞方案

2．2．2 飞参数据分析

2．3 旋翼机气动参数辨识

2．3．1 系统辨识试飞方案

2．3．2 参数辨识与对象特性分析

2．4 控制律总体设计方案

2．5 本章小结

第三章 自转旋翼机飞行控制律设计

3．1 纵向控制设计

3．1．1 俯仰阻尼器

3．1．2 俯仰角控制

3．1．3 空速控制

3．1．4 高度控制

3．2 横侧向控制设计

3．2．1 滚转角控制

3．2．2 航迹控制

3．3 旋翼机配平状态

3．4 本章小结

第四章 自转旋翼机自主起降控制

4．1 有人驾驶旋翼机起降方案

4．1．1 起飞方案

4．1．2 着陆方案

4．2 自主起飞方案

4．3 自主着陆方案

4．4 本章小结

第五章 自转旋翼机飞行控制系统

5．1 飞行控制系统功能与组成

5．1．1 飞行控制系统的结构与功能

5．1．2 飞行控制系统的硬件组成

5．2 飞行控制系统软件

5．3 地面遥控遥测软件

5．4 本章小结

第六章 系统仿真与旋翼机滑跑试验

6．1 FlightGear仿真平台

6．1．1 FlightGear平台及JT-5B自转旋翼机

6．1．2 基于FlightGear的半物理仿真平台

6．2 半物理仿真与仿真结果

6．2．1 起飞仿真

6．2．2 着陆仿真

6．3 滑跑试验

6．3．1 预旋

6．3．2 前轮纠偏控制

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文工作的总结

7．2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果及发表的学术论文