涵道风扇动力尾座式垂直起降飞行器飞行模态转换控制研究
目前涵道飞行器研究主要集中在悬停点附近垂直模态的控制与应用，本文侧重于涵道风扇动力新构型飞行器水平模态控制及其多模态转换机理研究。 涵道风扇动力尾座式垂直起降飞行器是一种新型的尾座式飞行器，该飞行器具备垂直飞行/水平飞行/过渡飞行等多种飞行模态。由于采用了涵道风扇与组合控制舵面构成的矢量动力系统，其低速、大迎角状态下控制能力更强，具备更优秀的过失速机动性能。但涵道风扇的引入也极大地增加了其自主飞行控制的难度，主要表现为：1）系统具有更宽的工作点范围，更大的飞行包线；2）全包线范围内，系统气动特性复杂，呈现较强非线性与耦合特性，目前仍未有准确的解析模型，传统基于模型的控制方法一般不能获得较好的控制效果。目前，关于涵道尾座式飞行器水平飞行与模态转换的相关参考资料十分稀少，也鲜有完成水平飞行与模态转换的成功飞行案例。 本文针对涵道风扇动力尾座式垂直起降飞行器的飞行模态转换控制问题，重点聚焦于飞行器水平飞行与模态转换过程的气动建模与辨识、全包线飞行控制、飞行模态转换过程分析与规划等3个方面，主要工作与贡献包括： (1)深入研究了涵道尾座式飞行器水平与模态转换过程的气动特性，分析了涵道风扇综合动力/驱动系统在全包线下的气动力、气动力矩与动力输出的耦合关系；重点针对本文设计的尾推式涵道动力固定翼新构型飞行器涵道-机翼气动耦合这一新出现的复杂气动效应，提出一种紧凑的数值方法进行数学描述。在此基础上，建立了完备的非线性系统动态方程。 (2)提出一种涵道尾座式飞行器的全包线飞行框架。针对飞行器姿态系统中不可测的复杂外部气动力矩，设计了基于非线性模型参考自适应与基于增量动态逆的全包线飞行姿态控制器，以对该未建模动态进行观测与补偿；针对飞行器全包线运动过程中气动力，提出一种基于加速度测量的拉力/姿态几何解算方法，以降低对气动力的建模要求，并基于此设计了全包线飞行速度控制器；针对因控制舵面饱和引起的潜在控制失效风险，提出了一种涵道风扇矢量动力系统的控制效率增强算法，极大地增强了系统的稳定性。同时，对于所设计的全包线飞行控制框架，进行了深入的理论分析，给出了在模型误差、外部扰动等各因素影响下，保证闭环系统各状态最终一致有界的充分条件。 (3)重点研究了涵道尾座式飞行器的飞行模态转换过程。针对该过程的描述、建模与简化，定义了基于俯仰平面运动的模态转换通道，以系统地构建在飞行模态转换过程中机体的动态包络，并详细分析了“定高转换”这一特殊的飞行模态转换过程；针对飞行模态转换过程中复杂的高阶非线性运动规划问题，提出了一种基于模态转换通道的飞行轨迹规划方法，将高阶问题进行降阶与紧凑化处理。 (4)使用自行设计的小型涵道尾座式无人机试验样机开展数值仿真实验与实际飞行试验，以“定高转换”这一典型的高难度飞行机动科目，验证了本文所提出的飞行模态转换控制框架的正确性和有效性。
尾座式飞行器;飞行模态转换;全包线飞行控制;气动特性
华南理工大学
博士
控制理论与控制工程
裴海龙
2022
中文
V249.1
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）