可變體飛行器變形與飛行的協調控制研究

《可變體飛行器變形與飛行的協調控制研究》是依託南京航空航天大學，由陸宇平擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：可變體飛行器變形與飛行的協調控制研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：陸宇平
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

可變體飛行器的變形結構具有改善氣動性能和操縱飛行器的雙重功能。綜合最佳化變形結構改善氣動性能和操縱飛行器的雙重作用，可以減少飛行器控制能量，並獲得更高的控制性能。現有的可變體飛行器飛行控制研究中，很少綜合考慮了變形結構改善氣動性能和操縱飛行器的雙重作用。本項目研究可變體飛行器在受控變形過程中的變形與飛行的協調控制問題：研究可變體飛行器的多體系統建模與簡化；綜合考慮可變體飛行器的變形結構的增升與增穩功能，研究可變體飛行器變形與飛行的協調控制方法，使得可變體飛行器以較小的控制能量，通過變形結構，同時改善氣動性能和增強飛行器穩定性；製作可變體飛行器半物理仿真平台，初步驗證所設計的控制算法。

結題摘要

隨著人類對飛行器性能的不斷追求，特別是希望通過單一飛行器執行多種任務，傳統的固定結構飛機已很難滿足這樣的需求，可變體飛行器的概念因此應運而生。變體飛行器根據飛行環境的變化和飛行任務的需求，能夠在飛行中相應地改變外形以改善空氣動力學特性，最佳化飛行性能，從而保持最佳的飛行狀態，滿足在變化的飛行環境中適應多種任務的要求。歐美國家對於變體飛行器已經進行了多年的探索試驗，取得了不少技術成果。我國近些年來也開展了這方面的研究，並獲得了國家自然科學基金等項目的大力資助。 本課題首先進行了幾種典型變體飛行器的氣動仿真分析與動力學建模。通過DATCOM和CFD Fluent軟體仿真分析了幾種典型變體飛行器的氣動特性，使用MATLAB工具擬合計算，建立氣動參數與結構變形之間的函式關係，進一步構建出包含變形參量的變體飛行器非線性動力學模型。基於雅可比線性化理論，建立了變體飛行器的線性變參數模型，分析了變形對飛行器特徵的本質影響。 然後，研究了變體飛行器變形過程的魯棒穩定飛行控制。針對變翼展飛行器，設計了魯棒增益調度理論，研究了飛行器機翼伸縮變形過程的穩定飛行控制。針對變彎度飛行器，設計了魯棒最優控制器，研究了翼型彎度變化時的穩定飛行控制。通過MATLAB仿真分析了飛行器在飛行中變形的魯棒穩定效果，確保變形過程的順利完成。接著，研究了大氣擾動條件下的變體飛行器穩定飛行控制。通過分析風擾動對飛行器的作用模型，建立了變體飛行器在大氣擾動環境中的動力學方程，設計了改進的魯棒增益調度控制方法，仿真分析了大氣擾動對飛行器變形過程的影響，完善了變形與飛行的協調控制研究。 進一步，探索研究了變體飛行器利用變形輔助提高飛行性能的可能性。以伸縮翼變體飛行器為對象，將機翼伸縮視為主動操縱方式，輔助配合常規操縱，建立了變體飛行器主動變形的非線性動力學模型。設計了一種新的動態滑模控制方法，實現了利用變形輔助操縱的全局穩定控制，並抑制了外部擾動的影響，更好地完成了目標航跡跟蹤。 最後，設計、研製了變體飛行器變形與飛行協調控制的半物理仿真演示平台。平台由變形翼模擬機櫃、智慧型舵機節點、分散式網路模組和上位機單元四個部分組成，並開發了智慧型舵機通信控制程式、上位機協調控制程式等軟體。通過一系列MATLAB仿真和演示實驗，驗證了變體飛行器協調控制系統的有效性，為後續的深入研究提供了支撐平台。