基于虚拟样机技术倾转四旋翼飞行器联合仿真

为了解决倾转四旋翼飞行器的机械系统及控制系统的设计问题,首先在ADAMS软件中建立倾转四旋翼飞行器的虚拟样机机械模型,同时在MATLAB/Simulink环境中引入了跟踪微分器并建立了非线性串级PID控制系统模型,然后通过搭建共享的虚拟样机模型实现联合仿真,最终得到机械系统和控制系统优化后的设计方案。仿真结果表明:倾转四旋翼飞行器的姿态调整过程稳定,具有很好的动态响应特性,为今后旋翼倾转过程的理论分析打下了良好的基础。

基于深度强化学习的水空跨域机器人水面起飞运动控制

水空跨域机器人由水到空的跨域过程(水面起飞)由于受到近水面环境下螺旋桨动力衰减、机器人浮力变化和水面介质引起流体力变化的影响,对其水面运动控制提出新的挑战。针对倾转螺旋桨推进的跨域机器人的水面起飞问题,提出了机器人近水面环境下的浮力估算模型,螺旋桨推力模型,基于深度强化学习方法的机器人水面起飞控制,在此基础上,为解决机器人螺旋桨在近水面动力衰减而影响水面起飞难题,提出一种基于深度强化学习方法的跨域机器人分阶段水面起飞方法。通过仿真验证了基于深度强化学习的分阶段水面起飞的有效性,并在实际实验中证明了深度强化学习控制的无螺旋桨衰减下直接水面起飞和有螺旋桨衰减下分步水面起飞的有效性,分别实现水面起飞至2 m,横滚角和俯仰角小于5°(无螺旋桨衰减)和横滚角小于5°、以65°俯仰角的水面起飞(螺旋桨衰减)。

高速四倾转旋翼机总体参数优化设计研究

四倾转旋翼机总体参数设计涉及重量、性能等多个分析模型,各模型互相耦合、相互影响,其总体参数设计需兼顾多方面且相互矛盾的使用需求。建立了飞行性能、重量配置模型,并在深入分析各分析模型之间的关联关系的基础上,建立基于性能指标和重量约束的四倾转旋翼机总体参数优化设计方法。

新构型倾转四旋翼飞行器总体初步设计

针对倾转旋翼飞行器研制过程中旋翼设计通常难以满足两个模式下飞行效率的问题开展了研究。通过采用两副类似直升机旋翼设计的旋翼和两副类似固定翼螺旋桨设计的螺旋桨,实现倾转四旋翼飞行器在两个模式下的基本功能。首先,对比分析不同升力组件布局方案,验证了构型的可行性。其次,根据设计指标开展总体参数及气动布局设计。最后,采用CFD方法进行气动特性分析,并基于飞行性能计算方法进行飞行性能计算,完成新构型倾转四旋翼飞行器总体方案设计。研究成果对于新构型倾转四旋翼飞行器的研制具有一定借鉴作用。

四倾转旋翼无人机模型预测姿态控制律设计与仿真

针对四倾转旋翼无人机全模态姿态控制律设计困难的问题开展了研究。首先,建立了四倾转旋翼无人机飞行动力学模型,并开展了不同飞行模态操纵策略分析;然后,运用模型预测控制理论设计姿态控制器;最后,对四倾转旋翼无人机的姿态控制进行了仿真试验及结果分析。研究结果表明,所设计的模型预测姿态控制响应速度快、跟踪控制性能好,可实现较好的控制效果。

倾转四旋翼机过渡状态飞行控制律设计

针对倾转四旋翼机过渡状态飞行控制律进行了设计研究。首先,结合滑模理论与干扰观测器设计了倾转四旋翼机倾转过渡走廊动态飞行完整控制律,并利用滑模控制方法的鲁棒性完成了全机气动干扰估计,在时域仿真环境中模拟精确气动干扰效应。然后,以倾转角作为旋翼控制器和固定翼控制器的权重因子进行操纵分配,完成了线性及正弦倾转角曲线变化下过渡模式的定高飞行控制,并将两种曲线下飞行器过渡模式状态量进行比对。最后,开展了仿真验证。结果表明,所设计的控制器动态性能良好,响应速度快,鲁棒性强,能保证倾转四旋翼机在过渡状态下保持良好的高度稳定性。

四倾转旋翼飞行器直升机模式操纵策略设计与验证

为解决四倾转旋翼飞行器直升机模式旋翼操纵冗余问题,建立了120 kg级四倾转旋翼无人飞行器飞行动力学模型,并依据不同操纵方式的功效变化进行操纵策略优选设计。应用串级PID控制理论设计了四倾转旋翼无人飞行器飞行控制系统,仿真分析操纵策略对姿态控制和轨迹控制响应的影响;用给定姿态指令和轨迹指令跟踪控制效果验证所设计操纵策略的合理性。研究结果表明:直升机模式下,纵向、横向通道用旋翼总距差动进行控制,航向通道用左右旋翼纵向周期变距差动进行控制时操控效率最高,控制响应快,且控制输出变化幅度小;面对外界风扰,使用该优选操纵策略,控制误差最小,抗扰性好。

倾转四旋翼机气动特性分析及参数影响研究

采用机身/机翼/尾翼贴体网格与旋翼动量源相结合的CFD方法,开展了某倾转四旋翼机气动布局参数对气动特性的影响分析研究。首先,建立了一套适用于倾转四旋翼机全机干扰流场模拟的数值方法。然后,基于所建立方法开展了不同部件干扰情况下旋翼气动特性分析。最后,分析了前飞速度、旋翼旋向组合、旋翼横向距离对旋翼与机翼气动特性的影响规律。结果表明:后旋翼气动特性受全机干扰的影响较大,后旋翼拉力相对于孤立旋翼减小了41%。随着前飞速度的增加,前旋翼和机翼对后旋翼的气动干扰增强。从机头前方正视,机翼的左旋翼右旋和机翼的右旋翼左旋,有利于改善全机气动性能。前后旋翼的横向距离增大会提高后机翼和后旋翼的气动性能,横向距离为0.5 m时,后旋翼拉力比0 m时增大47%。