武装直升机贴地飞行控制与地形跟随研究

摘要

该文主要对贴地飞行时武装直升机的飞行控制系统进行深入的研究和探索,讨论了贴地飞行时气流扰动对直升机系统的影响,研究了H<,∞>鲁棒控制和动态逆控制在直升机飞控系统中的应用.主要的内容包括直升机飞行控制系统内外回路设计、直升机机动飞行的仿真、地形跟随的仿真以及OpenGL三维动画仿真等方面的内容.由于直升机存在着较强的耦合性、不稳定性,呈现出较强的非线性,该文首先建立了直升机六自由度的小扰动耦合的运动模型.之后介绍了直升机遭受气流扰动的影响,并且建立了大气紊流和风切变的数学模型,为后面控制系统的设计提供了基础.接着该文设计直升机姿态角速率指令(RCAH)、姿态角指令(ACAH)模态,按照时标分离的原则将直升机内环飞控系统划分为快慢回路,并分别采用H<,∞>和动态逆的方法设计控制器,使直升机的四个通道得到解耦.随后在直升机外环回路进行设计,采用二次型状态调节器设计法设计速度控制回路.为了验证飞控系统的抗风扰动特性,引入风切变和紊流,仿真表明所设计的飞控系统对风扰动具有良好的鲁棒稳定性.并且选取几个典型的机动飞行科目进行仿真,结果表明达到ADS33D标准要求.地形跟随系统的设计也是该文的一个重要内容,在这一章中,该文采用适应角法设计地形跟随系统,并提出了适应角法的改进方法.在典型地形情况下进行地形跟随仿真,并且为了真实模拟地形跟随,在控制通道加入风扰动,结果表明该飞控系统能够很好的抵抗风扰动,紧紧跟随最优轨迹飞行.该文最后在VC环境下用OpenGL开发了直升机三维动画仿真平台,构造了三维地形和直升机模型,仿真了直升机做蛇形机动、急跃升/急跃降、地形跟随等机动飞行,通过逼真的视觉效果验证了飞控系统的正确性.

目录

文摘

英文文摘

第一章概述

§1.1武装直升机概述

§1.2武装直升机发展及分析

§1.3武装直升机的贴地飞行

§1.4直升机飞控系统发展

§1.5本课题研究的主要内容

第二章直升机贴地飞行运动模型及气流扰动研究

§2.1直升机数学模型的研究

2.1.1直升机飞控系统的特点及与固定翼飞机的比较

2.1.2直升机非线性数学模型的建立及线性化

§2.2直升机贴地飞行的气流扰动分析

2.2.1风切变的成因

2.2.2风切变模型

2.2.3紊流模型

§2.3大气扰动改出引导策略

§2.4本章小结

第三章直升机飞控系统内环设计

§3.1直升机内/外回路设计结构

§3.2 H∞设计法实现直升机解耦控制

3.2.1直升机H∞控制器设计及性能评价

3.2.2直升机H∞控制器设计

3.2.3仿真曲线

§3.3非线性动态逆在飞行控制中应用

3.3.1动态逆控制的基本原理

3.3.2直升机控制系统回路划分及动态逆设计

3.3.3仿真分析

§3.4本章小结及分析

第四章直升机速度保持通道设计及抗风干扰特性研究

§4.1直升机飞控系统外回路设计

4.1.1外回路设计综述

4.1.2姿态角与线速度关系式

4.1.3驾驶员的等效数学模型

4.1.4纵向速度保持

4.1.5横向速度控制

4.1.6高度控制

4.1.7仿真曲线

§4.2抗风扰动特性研究

4.2.1抗风切变特性

4.2.2抑制紊流特性研究

§4.3直升机机动飞行

4.3.1自动过渡

4.3.2急跃升/急跃降

4.3.3精确悬停转弯

4.3.4蛇形机动

§4.4本章小结及分析

第五章直升机地形跟随研究

§5.1地形跟随系统

5.1.1地形跟随系统概述

5.1.2地形跟随性能要求

5.1.3最佳理想航迹的生成

§5.2适应角法控制律设计

5.2.1适应角法基本原理

5.2.2适应角法控制律设计

§5.3本章小结

第六章三维动画仿真的原理与实现

§6.1 OpenGL引擎与三维动画原理

6.1.1 OpenGL三维图形引擎概述

6.1.2 OpenGL基本工作流程

6.1.3 OpenGL图形显示及三维动画原理

§6.2可视化武装直升机飞行仿真系统总体框架

6.2.1武装直升机(非线性)方程解算模块

6.2.2三维动画显示模块

6.2.3飞行控制模块

§6.3直升机三维动画的实现

6.3.1 OpenGL运行平台和结构

6.3.2三维地形的构造

6.3.3武装直升机的三维构形

6.3.4机动飞行的三维动画显示

§6.4本章小结

第七章总结

致 谢

在学期间的研究成果

参考文献

附录一符号表

附录二某型直升机悬停、前飞状态的刚体动力学模型