单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆控制技术研究

摘要

单旋翼涵道风扇式无人直升机全机采用了对称布局，其重量、惯量和气动特性等都保持对称，因此使得其在飞行过程中会产生类似钟摆的机体摆动，钟摆会严重影响飞行的稳定性和侦察的准确性等性能。本文通过直升机钟摆现象的机理分析、建模、控制方法设计和仿真，对单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆控制技术进行了深刻的研究。 研究对象是一种采用单旋翼涵道风扇式构形的新型无人直升机，针对这种无人直升机的结构特点和试飞实验数据，提出了钟摆现象的存在性问题。 分析了单旋翼涵道风扇式无人直升机的构形特点及其产生钟摆现象的机理，根据其外特性抽象出了钟摆的数学模型。基于所建立的钟摆模型，设计了消除钟摆的控制律。并制作了钟摆的物理实验平台进行钟摆现象的复现和控制律的验证。 深入探讨了单旋翼涵道风扇式无人直升机的动力学原理，结合其全量方程和线性化增量方程，推导出了其钟摆模态的数学表示。介绍了无人直升机的耦合条件和采用不变性原理设计的无人直升机的解耦控制规律，实现了其解耦条件下的姿态和位置控制，然后通过控制回路方式将物理模型中的消摆控制律合理地运用到单旋翼涵道风扇式无人直升机的控制系统中。最后研究了飞行控制系统中钟摆控制技术的实现问题，其包括钟摆现象出现的判断条件、钟摆控制退出的条件以及消摆控制律和姿态控制律的合理切换；并对于钟摆的一些非线性因素进行了简单的研究。 数字仿真验证了所建立的钟摆模型的正确性，消摆控制律的有效性，以及钟摆控制和姿态控制的相容性。