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倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线

周玙 刘莉

周玙, 刘莉. 倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2277-2283. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0073
引用本文: 周玙, 刘莉. 倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(11): 2277-2283. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0073
ZHOU Yu, LIU Li. Optimal transition tilt angle curve of tiltrotor UAV[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2277-2283. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0073(in Chinese)
Citation: ZHOU Yu, LIU Li. Optimal transition tilt angle curve of tiltrotor UAV[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(11): 2277-2283. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0073(in Chinese)

倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0073
详细信息
    作者简介:

    周玙  男, 硕士研究生。主要研究方向:飞行器总体设计、飞行器控制

    刘莉  女, 教授, 博士生导师。主要研究方向:飞行器总体设计

    通讯作者:

    刘莉.E-mail:liuli@bit.edu.cn

  • 中图分类号: V249.12

Optimal transition tilt angle curve of tiltrotor UAV

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  • 摘要:

    建立了典型三点式倾转旋翼无人机动力学模型,针对过渡过程,开展最优倾转角曲线研究以减小横侧控制耦合对纵向运动影响和过渡过程能耗。基于倾转角曲线对过渡过程的影响分析,提出了改进运动剖面算法对倾转角曲线进行参数化设计;并提出两阶段优化方案来对参数进行优化。第1阶段,综合考虑横侧控制耦合度最低和过渡过程能耗最小目标,以曲线参数为优化变量,构建了最优倾转角问题模型,采用遗传算法进行优化求解。第2阶段,引入舵机动力学模型,考虑过渡时间和系统超调进一步优化以减小结束阶段的超调。与2种现有典型倾转角曲线对比结果表明:给定过渡时间,设计的最优倾转角曲线有效地降低横向控制耦合程度和过渡过程的能耗,且减小结束时超调。

     

  • 图 1  飞行器动力布局

    Figure 1.  Aircraft dynamic layout

    图 2  飞行走廊曲线

    Figure 2.  Curve of flight corridor

    图 3  运动剖面算法曲线[6-7]

    Figure 3.  Curves of motion profile algorithm[6-7]

    图 4  改进运动剖面曲线

    Figure 4.  Curves of improved motion profile

    图 5  种群平均适应度曲线

    Figure 5.  Curve of population's mean fitness

    图 6  倾转角曲线

    Figure 6.  Curve of tilt angle

    图 7  前飞速度曲线

    Figure 7.  Curve of forward velocity

    图 8  无减速段舵机输出

    Figure 8.  Servo output in non-deceleration section

    图 9  不同参数μ2下舵机输出

    Figure 9.  Servo output with different μ2

    图 10  调节时间与参数μ2关系

    图 11  加权相交法

    Figure 11.  Weighted intersection algorithm

    图 12  Curve of optimal tilt angle

    图 13  最优速度曲线

    Figure 13.  Curve of optimal velocity

    表  1  飞行器参数

    Table  1.   Aircraft parameters

    参数 数值
    巡航速度/(m·s-1) 33
    巡航迎角/(°) 5
    尾部电机平衡倾角/(°) 10
    升降舵平衡舵偏角/(°) 6
    飞行器质量/kg 5
    单发最大推力/N 26
    升力系数 0.178 8
    阻力系数 0.044 1
    机翼面积/m2 0.4
    俯仰发动机力臂(前、后)/m 0.4
    发动机横侧力臂 0.18
    气动俯仰力矩系数 0.00 086 75
    平均气动弦长/m 0.16
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    表  2  初始约束条件

    Table  2.   Initial constraint condition

    参数 μ1 μ2
    数值 [0°, 90°] [μ1, 90°] [0, 9](°)/s
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    表  3  遗传算法优化后参数

    Table  3.   Genetic algorithm optimized parameters

    参数 μ1/(°) μ2/(°) /((°)·s-1)
    数值 45.15 90 9
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    表  4  3种倾转曲线对比结果

    Table  4.   Result of three tilt curves caparsion

    参数 匀速倾转 未优化“S”形曲线 本文结果
    耦合大小 8.94 14.36 7.10
    阻力做功 4 076.7 5 218.0 2 798.9
    最大超调量 4.888 6 0.039 1 0.128 3
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  • [1] 凡永华, 杨军, 赖水清, 等.倾转旋翼机过渡段最优飞行控制系统设计[J].飞行力学, 2007, 25(1) 47-50. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FHLX200701012.htm

    FAN Y H, YANG J, LAI S Q, et al.Design of an optinal flight control system for tiltrotor conversion[J].Flight Dynamics, 2007, 25(1):47-50(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FHLX200701012.htm
    [2] 夏青元, 徐锦法, 金开保.倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略[J].航空动力学报, 2013, 28(9):2016-2028. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201309018.htm

    XIA Q Y, XU J F, JIN K B.Tilt-rotor aircraft modeling and its manipulation assignment strategy[J].Journal of Aerospace Power, 2013, 28(9):2016-2028(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201309018.htm
    [3] 夏青元, 徐锦法, 张梁.倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制[J].系统工程与电子技术, 2013, 35(1):146-151. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XTYD201301025.htm

    XIA Q Y, XU J F, ZHANG L.Model-free adaptive attitude controller for a tilt-rotor aircraft[J].Systems Engineering and Electronics, 2013, 35(1):146-151(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XTYD201301025.htm
    [4] 陈嘉先, 梁波.倾转旋翼无人机模态转换控制[J].战术导弹技术, 2015(2):70-76. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZSDD201502013.htm

    CHEN J X, LIANG B.Control of tilt rotor unmanned aerial vehicle during mode transition[J].Tactical Missile Technology, 2015(2):70-76(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZSDD201502013.htm
    [5] 严旭飞, 陈仁良.倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化[J].航空学报, 2017, 38(7):54-64. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201707005.htm

    YAN X F, CHEN R L.Control strategy optimization of dynamic conversion procedure of tilt-rotor aircraft[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(7):54-64(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201707005.htm
    [6] TA D A, FANTONI I, LOZANO R.Modeling and control of a convertible mini-UAV[J].IFAC Proceedings Volumes, 2011, 44(1):1492-1497. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667016438206
    [7] TA D A, FANTONI I, LOZANO R.Modeling and control of a tilt tri-rotor airplane[C]//American Control Conference.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2012: 131-136.
    [8] 鲁麟宏, 付荣, 王勇, 等.基于矫正广义走廊的电动倾转旋翼机模态转换[J].航空学报, 2018, 39(8):121900. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKXB20180402001.htm

    LU L H, FU R, WANG Y, et al.Mode conversion of electric tilt rotor aircraft based on corrected generalized corridor[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2018, 39(8):121900(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKXB20180402001.htm
    [9] YEO Y T, LIU H H.Transition control of a tilt-rotor VTOL UAV: AIAA-2008-1848[R].Reston, VA: AIAA, 2018.
    [10] 赖水清, 严峰, 徐珂.倾转旋翼机过渡飞行阶段控制律设计研究[J].直升机技术, 2009(3):52-55. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZSEN200903013.htm

    LAI S Q, YAN F, XU K.Design and research of control law for tiltrotor in transition flight phase[J].Helicopier Technique, 2019(3):52-55(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZSEN200903013.htm
    [11] 张飞, 路平, 江涛, 等.基于模糊控制的倾转三旋翼无人机过渡模式操纵策略研究[J].电光与控制, 2018, 25(4):32-36. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DGKQ201804008.htm

    ZHANG F, LU P, JIANG T, et al.Transitional mode manipulation strategy of tilt tri-rotor UAVs based on fuzzy control[J].Electronics Optics & Control, 2018, 25(4):32-36(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DGKQ201804008.htm
    [12] 曹芸芸.倾转旋翼飞行器飞行动力学数学建模方法研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2012: 16-28.

    CAO Y Y.Research on mathematical modeling method for tilt rotor aircraft flight dynamics[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012: 16-28(in Chinese).
    [13] 曹芸芸, 陈仁良.倾转旋翼飞行器发动机短舱倾转角度-速度包线分析[J].航空动力学报, 2011, 26(10):2174-2180. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKDI201110002.htm

    CAO Y Y, CHEN R L.Investigation on nacelle conversion envelope analysis method of tiltrotor aircraft[J].Journal of Aerospace Power, 2011, 26(10):2174-2180(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKDI201110002.htm
    [14] FRANCESCO G D, D'AMATO E, MATTEI M.Incremental nonlinear dynamic inversion and control allocation for a tilt rotor UAV: AIAA-2014-0963[R].Reston: AIAA, 2014.
    [15] 闫秋红, 垂直起降倾转四旋翼机过渡阶段控制问题研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015: 21-24.

    YAN Q H.Control system design on the transition stage of quad tiltrotor aircraft[D].Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015: 21-24(in Chinese).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-01
  • 录用日期:  2019-05-27
  • 网络出版日期:  2019-11-20

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