[发明专利]一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制方法

说明书

本发明公开了一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制方法，首先应用非线性系统模型线性化理论快速有效求解多种模式基准飞行状态下动态逆模型控制器；随后，采用神经网络补偿多模式动态逆模型存在的误差；最后，采用自适应终端滑模保证全模式飞行控制系统的稳定性，快速性和鲁棒性。本发明的一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制方法分别在姿态回路和速度回路中设计了动态逆自适应终端滑模控制方法，可实现复合式旋翼飞行器在设定的有限时间内完成系统指令跟踪，收敛性较好，且飞行系统具有较好的鲁棒性，可实现飞行器全包线全模式飞行，飞行过程中不需要切换控制器，降低了飞行系统的复杂程度，提高了飞行器模式切换的安全性。

技术领域

本发明属于飞行力学和飞行仿真技术领域，具体涉及一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制技术。

背景技术

复合式旋翼飞行器因同时具有推力装置、固定翼和旋翼，既能实现直升机飞行模式的垂直起降、悬停飞行，又具备固定翼飞机高速度、远航程巡航飞行能力，备受世界各国直升机研究机构及研究人员的关注。目前，国内外对于复合式旋翼飞行器舰载无人机的研究尚处于起步阶段，由于技术保密等原因，现阶段国内外关于高速直升机多模式飞行控制问题涉及较少。

复合式旋翼飞行器飞行控制系统是飞行器安全稳定飞行、各种飞行任务完成的关键和保证。设计复合式旋翼飞行器的飞行控制系统并非易事，既要考虑直升机飞行控制问题，又要考虑固定翼飞行控制问题，还要考虑过渡飞行控制问题，同时还有考虑不同飞行模式转换时的控制切换问题。飞行器飞行模式变化时，气动特性变化相当复杂，很难建立完整精确的数学模型用于控制系统设计验证，所设计的飞行控制系统就必须具有很好的自适应性和鲁棒性。

以小扰动线性化模型为基础的特定飞行状态飞行控制律设计方法是目前通常做法，对于复合式旋翼飞行器的多模式飞行控制问题，此设计方法就面临挑战，难于采用传统的线性控制方法、用单一参数控制器达到预期控制目标。飞行过程中存在模式转换，机体惯性矩变化、旋翼转速波动、外界干扰等因素给系统带来的不确定性，使得飞行器系统呈现出非线性、强耦合以及不确定性的特点。飞行模式变化决定着飞行动力学特性的变化，而动力学特性变化意味着飞行控制系统需要进行调整，才能保证飞行器平稳飞行。控制系统的调整不仅是控制参数的调整，而且还有可能需要对控制结构进行调整。这就给控制系统设计造成了极大的困难。把飞行模式变化引起的飞行动力学特性变化抽象为被控对象动态特性不确定性，运用非线性控制理论，设计出一套适用于全飞行模式的具有自适应能力和鲁棒性的飞行控制系统，是解决复合式旋翼飞行器飞行控制的理想方法。

本发明以典型飞行状态为基点，设计可在线补偿模型逆误差的非线性智能飞控系统，保障复合式旋翼飞行器在不同飞行模式下都具有良好的控制性能，使系统具有实时性、稳定性、鲁棒性。探索非线性动态逆模型求解方法，解决逆模型控制器算法的快速性、稳定性和精确性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制技术，使系统具有自适应能力和鲁棒性，且避免多模式飞行过程中的控制器切换问题，实现复合式旋翼飞行器全包线范围内全模式稳定飞行。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种复合式旋翼飞行器全模式飞行控制方法，具体步骤如下：

步骤一、选取某一复合式旋翼飞行器动力学模型作为研究对象，根据复合式旋翼飞行器飞行任务，得到飞行系统期望速度跟踪指令，期望速度跟踪指令包括：期望前飞速度u_c，期望升降速度v_c和偏期望航速度w_c，并将期望速度跟踪指令作为控制器的输入量；

步骤二、分别设计速度回路和姿态回路控制结构，速度回路作为外回路，为姿态回路提供期望姿态控制指令，期望姿态控制指令包括：期望俯仰角θ_c、期望偏航角期望滚转角ψ_c；姿态回路作为内回路，可使复合式旋翼飞行器各个通道解耦，增强系统的稳定性；