[发明专利]一种复合式旋翼飞行器非线性建模及线性化配平方法

说明书

本发明公开了一种复合式旋翼飞行器非线性建模方法及线性化配平方法，属于复合式旋翼飞行器控制技术领域。本发明通过分析各部件的气动特性，采用分体建模的方法进行动力学建模；在此模型基础上，结合拟牛顿迭代法和序列二次规划法，提出一种拟牛顿‑序列二次规划法对复合式旋翼飞行器动力学模型进行动力学配平，并在平衡点作小扰动线性化，得到平衡点的近似线性化动力学方程。使用本发明建模方法建立的动力学模型置信度高、且计算简单，此外，本发明提出的新的配平方法可避开求解目标函数Hessian矩阵的逆矩阵，简化计算，并保证了较快的收敛速度，可用于复合式旋翼飞行器控制方法研究。

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非线性建模及线性化配平方法。

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、远航程和长航时飞行能力，而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，此领域公开发表的文献较少。

作为控制方法的基础，建立被控对象复合式旋翼飞行器的数学模型并非易事。一方面，与常规直升机相比，复合式旋翼飞行器由于增加了固定翼和推力装置，结构更加复杂，且各部件间存在强烈的气动干扰，使得复合式旋翼飞行器动力学具有高度非线性、强耦合、操纵舵面受限等特点，建模难度加大。另一方面，飞行动力学特性与飞行模式密切相关，复合式旋翼飞行器具有直升机和固定翼两种飞行模式，飞行模式变化给模型建立增添了复杂性。此外，如何有效地处理复合式旋翼飞行器动力学模型，降低控制器设计的难度，也是目前复合式旋翼飞行器控制亟待解决的关键问题。

现阶段国内外针对飞行器建模方法主要有：机理建模、系统辨识和风洞试验等。其中，机理建模需要对模型空气动力学有着深入的了解，工作量和难度较大；系统辨识可避免对模型进行分解测量、复杂度低、模型易建立，但损失了动力学非线性特征，只适用于特定工作点建模；而风洞试验也对试验模型要求较高。此外，为了控制器设计方便，目前国内外通常采用牛顿迭代法和拟牛顿迭代法对飞行器平衡点动力学配平和小扰动分析，但牛顿迭代法需要求取目标函数的Hessian阵，当系统模型复杂，无法求取Hessian阵或Hessian阵奇异时，算法就无法进行；而拟牛顿迭代法采用Hessian阵的近似阵代替Hessian阵，同时保证了较好的收敛速度，但无法对操纵舵面受限的飞行器动力学模型进行配平。

发明内容

本发明提一种复合式旋翼飞行器非线性建模及线性化配平方法，采用分体建模法，准确地建立复合式旋翼飞行器动力学模型，并提出拟牛顿结合序列二次规划的方法对舵面非线性耦合且操纵受限的复合式旋翼飞行器非线性动力学模型进行线性化配平处理。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合式旋翼飞行器非线性动力学建模及线性化配平方法，包括以下步骤：

(1)分别建立地轴系O_DX_DY_DZ_D、本体系OXYZ、风轴系O_VX_VY_VZ_V、桨轴系O_SX_SY_SZ_S；

(2)选取某一复合式旋翼飞行器为研究对象，采用分体建模方法，将复合式旋翼飞行器分为四个模块，包括旋翼、机翼、机身和涵道风扇，分别进行动力学建模；

(3)在步骤(2)已建立的模型基础上，选取前飞速度作为平衡点，并采用拟牛顿-序列二次规划法对平衡点进行动力学配平，并作小扰动线性化分析，得到复合式旋翼飞行器近似线性化微分方程。