[发明专利]一种确定倾转旋翼无人机过渡过程转换走廊的方法

说明书

技术领域

本发明属无人机控制领域，涉及一种确定倾转旋翼无人机过渡过程转换走廊的方法

背景技术

倾转旋翼无人机作为一种将固定翼飞机和直升机特点融为一体的新型飞行器，也是近年来国内外研究的热点。该飞行器机翼两端分别安上发动机短舱，起飞和降落可以像双旋翼直升机那样实现；前飞时短舱向前倾转，旋翼产生向前的推力，类似于螺旋桨飞机。倾转旋翼无人机既具有常规直升机的垂直起降和南中悬停能力，又具有固定翼飞行器飞行速度快的优点，具有非常高的应用价值。

但是，在直升机模式和定翼机模式之间进行过渡时，倾转旋翼无人机一方面会受到机翼失速引起的升力骤小，从而导致的飞机受到的升力无法支撑整架飞机的重量，另一方面也会因为旋翼后行桨叶的失速和前行桨叶产生的激波而使旋翼产生的推力受到限制，从而导致旋翼和机翼以及其他升力面产生的负向力无法支撑整架飞机的重量。因此，在过渡段，既有最小飞行速度限制，又有最大飞行速度限制。为了同时实现倾转旋翼无人机的两种工作模式，对其过渡过程转换走廊进行分析，并给出理想的过渡路线是必不可少的工作。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种通过利用倾转旋翼无人机在直升机与定翼机模式的转换过程中俯仰姿态角保持不变的方法从而确定转换走廊的方法。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的确定倾转旋翼无人机过渡过程转换走廊的方法具有下列步骤：

步骤一：分别建立倾转旋翼无人机的旋翼、机翼、短舱、机身、平尾和垂尾的动力学模型，得到倾转旋翼无人机非线性模型；本步骤据其空气动力学和飞行动力学特点，加入旋翼对机翼的气动干扰以及飞机质心的运动变化，采用分体法，分别对倾转旋翼无人机的旋翼、机翼及短舱、机身、平尾和垂尾进行动力学模型分析，完善了非线性模型，并将其转换成程序语言利用仿真软件进行了仿真模型的搭建；

本步骤中，完成的非线性模型主要分为四个模块：输入模块、飞行器部件模型模块、运动模块及输出模块。其具有6个控制输入量，即旋翼总距、旋翼横向周期变距、旋翼纵向周期变距、副翼偏转角、升降舵偏转角、方向舵偏转角。飞行器部件模型模块主要分成6个模块，即左旋翼模型、右旋翼模型、机翼模型、平尾模型、垂尾模型以及机身模型。在得到飞行器各部件的气动力和力矩后，将其作为运动模块的输入，运动模块的输出状态量同时作为飞行器各部件模型的状态输入和运动模块的输入。另外，完成的非线性模型有9个输出量，分别为机体轴系相对于地面坐标系三个方向上的线速度、角速度和姿态角。

步骤二：分别对倾转旋翼无人机的直升机模式的特性和定翼机模式的特性进行线性分析，得到倾转旋翼无人机的线性模型；本步骤为后续过渡工程分析奠定基础。

步骤三：对步骤二所得的线性化模型进行操纵特性分析，在不同短舱倾转角时所能达到的飞行速度范围，利用仿真工具对倾转旋翼无人机的直升机模式和定翼机模式间过渡段的特征根和时域响应进行分析；

步骤二和步骤三主要对四个方面的参数进行了分析，即稳定导数和控制导数、A矩阵的特征根、频域响应或者Bode图和时域响应；从这一分析结果可以得知过渡走廊的确定与配平姿态角相关性很大，而且过渡路线的确定也是根据配平姿态角来确定。因此，在倾转旋翼飞行器过渡走廊的仿真研究中，配平是一个非常重要的研究方法。

步骤四：根据步骤三的分析结果确定配平俯仰角的范围，取出配平俯仰角范围内的速度上限和下限，最终确定倾转旋翼无人机过渡过程转换走廊的边界。本步骤对倾转旋翼无人机的线性化模型进行操纵特性分析，为确定出一条安全过渡走廊，即在不同短舱倾转角时所能达到的飞行速度范围，重点对倾转旋翼无人机的直升机模式和定翼机模式间的过渡过程进行分析。根据配平俯仰姿态角的范围确定了过渡走廊的边界，以转换过程中飞机俯仰配平姿态角最小为指标给出了最优的过渡路线。另外，通过仿真分析过渡段的操纵量，给出了何时退出旋翼操纵量的建议。

在过渡走廊的速度范围内，倾转旋翼无人机在任何倾转角任何速度下都是可以实现稳定飞行的。从飞行力学的角度分析，要实现稳定飞行，则需要飞行器的升力大于等于飞行器的重力。倾转旋翼无人机的提供升力的主要部件为机翼和旋翼，因而要确定过渡走廊需要从这两部分着手。在飞行速度比较小时，机翼容易失速，产生的升力加上旋翼能够提供的升力无法承担整架飞机的总重，因而使机翼失速的飞行速度便是过渡走廊的下界。另外，通过分析配平俯仰角的变化趋势，建议倾转旋翼飞行器过渡飞行时应该在倾转短舱的过程中逐渐加速，以保持飞机俯仰姿态角基本保持不变。