[发明专利]倾转旋翼机的控制方法和控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及航空动力学领域，具体地，涉及一种倾转旋翼机的控制方法和控制装置。

背景技术

在相关技术中，固定翼飞行器与旋翼飞行器作为不同结构的飞行器的两个代表，其发展吸引了世界各国极大的关注。固定翼飞行器具有航程长、噪声小、飞行速度快等优势，但是受起降环境的影响较大，且不能在空中悬停。旋翼飞行器能够实现垂直起降、低空低速飞行、空中悬停等功能，但是受自身结构限制，载重量小、噪声大、航程较短。

后来，倾转旋翼机被提出，倾转旋翼机兼具旋翼飞行器的垂直起降能力与固定翼飞行器的快速飞行能力，更加满足了用户日益增长的需求。典型的倾转旋翼机在固定翼两翼的翼尖或机身安装一套可在垂直位置和水平位置之间跟踪发动机短舱转动的倾转旋翼组件，根据短舱转角的不同，倾转旋翼机共有三种飞行模式：直升机模式、过渡模式和固定翼模式。图1a-图1c分别是直升机模式、过渡模式、和固定翼模式的示意图。

对于倾转旋翼机的研究可以追溯到上个世纪20年代，其中最为著名的为贝尔公司与波音公司共同研制的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机。除了典型的两倾转旋翼机外，各国的学者在近几年中不断致力于小型多倾转旋翼的研究。例如NASA的十倾转旋翼机、土耳其伊斯塔布尔大学设计的四倾转机翼机和希腊帕特雷大学设计的三倾转旋翼机等等。倾转旋翼机的特殊结构使得旋翼与机翼及机身的气动干扰、飞行器动力学数学模型、以及飞行控制系统等方面均成为倾转旋翼机研究的关键性问题。

在直升机模式与过渡模式下，旋翼的下洗流对机翼与机身的冲击以及机翼对于旋翼下洗流的阻挡产生了较大的向下载荷，直接影响了倾转旋翼机的有效载荷及悬停能力，尤其对于两倾转旋翼机(例如，V-22)更为明显。因此，在建立飞行动力学模型的同时，需考虑旋翼对机翼、机身造成向下载荷的气动模型。由于倾转旋翼机包含三种飞行模式，加之不同飞行模式下操纵方式的混淆，无疑增加了模型构建的困难。不仅要解决飞行器的特殊布局引起的气动干扰问题，还需要解决直升机模式与固定翼模式下的两种操纵方式引起的操纵策略问题。而倾转旋翼机的控制问题更是此类飞行器研究的核心部分，也是各种关键性技术所要服务的内容。如何实现倾转旋翼机在各个飞行模式下的稳定行驶，以及全包线飞行下飞行模式的平稳切换，是倾转旋翼机控制方法研究的重点与难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够控制倾转旋翼机稳定行驶的倾转旋翼机的控制方法和装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种倾转旋翼机的控制方法。所述方法包括：建立所述倾转旋翼机的动力学参考模型；根据所述参考模型，设计用于控制所述倾转旋翼机的控制系统；根据所述参考模型，确定所述倾转旋翼机的系统状态、以及所述参考模型和实际模型之间的模型差；根据所述系统状态运行所述控制系统，得到虚拟控制输入；根据所述模型差对所述虚拟控制输入进行修正，得到实际控制输入；根据所述实际控制输入控制所述倾转旋翼机的飞行。

可选地，所述控制系统包括线性二次型调节器。

可选地，所述根据所述参考模型，确定所述倾转旋翼机的系统状态和模型差的步骤包括：根据所述参考模型，通过自适应集员估计滤波器，确定所述倾转旋翼机的系统状态和模型差。

可选地，所述系统状态和模型差满足以下方程：

其中，X_t为系统状态，f_t为模型差，Q^a与R^a分别为系统过程噪声W_t^a与测量噪声V_t的椭球界限对角矩阵，C^a为增广系统测量矩阵，为增广系统矩阵，为增广系统控制矩阵，Y_t为系统输出测量，为增广系统控制输入向量，r_m为R^a的最大特征根，p_m为C^aP_t|t-1C^aT的最大特征根，Tr(X)为矩阵X的迹，第i个增广状态的椭球界限为P_ii为P_t|t矩阵的第i个对角元素，ρ_t、W_t、K_t、δ_t、β_t为中间变量。

可选地，所述根据所述模型差对所述虚拟控制输入进行修正，得到实际控制输入的步骤包括：对于中的每一个计算与每一个相对应的对于每一个用以下公式计算的最大值，得到使得并将作为所述实际控制输入：