共軸雙旋翼飛行器傘機轉換控制算法研究

徐九龍，郝永平

(沈陽理工大學裝備工程學院，沈陽 110159)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，旋翼飛行器因具有體積小、造價低、對作戰(zhàn)環(huán)境要求松和戰(zhàn)場生存能力強等諸多優(yōu)點極適合在敏感地帶和敵對環(huán)境中進行偵察、探測和攻擊等行動，以避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。此外，旋翼飛行器具有懸停飛行等特性使其在指定區(qū)域執(zhí)行任務時更容易搭載相關任務平臺。與固定翼飛行器相比，旋翼飛行器主要缺點為無法長時間和遠距離飛行，飛行過程中隱蔽性不好，易暴露目標。為了解決上述問題，人們研制出了炮射共軸雙旋翼飛行器，其目標是通過發(fā)射裝置提供的能量，迅速將彈藥帶到指定空域后，轉換成一個共軸式雙旋翼懸浮系統(tǒng)進行偵察、監(jiān)視、干擾、照明和攻擊等特種作戰(zhàn)任務。Espinoza等對空投共軸雙旋翼無人機的飛行軌跡跟蹤與規(guī)律進行了研究。Chauffaut等對小型共軸雙旋翼無人機采用無傘減速過渡過程控制問題進行了分析。李永澤等針對炮射無人機的彈機轉換過程的彈道特性進行了分析與飛行驗證。袁新波等提出了某型炮射無人機的總體思路和設計方案并開展了部分驗證試驗。在彈丸過渡轉換飛行器過程中，傳統(tǒng)的方法是采用降落傘減速，全程被動無控。

文中采用減速降落傘與共軸雙旋翼飛行器聯(lián)合控制，通過飛行器的旋翼系統(tǒng)進行減速和姿態(tài)調(diào)整。研究了過渡轉換過程減速和姿態(tài)調(diào)整控制方案策略，建立了轉換控制模型。采用自適應反步控制算法設計飛行器過渡轉換控制算法，對飛行器過渡轉換過程進行了仿真計算。通過仿真分析得出：共軸雙旋翼飛行器在過渡轉換過程中可以實現(xiàn)減速和姿態(tài)調(diào)整，大幅地提高部署速度。

1 工作原理與模型建立

炮射共軸雙旋翼飛行器分為發(fā)射階段、彈丸飛行階、拋散階段、折疊展開階段和工作階段，其流程圖如圖1所示。過渡轉換是從拋散到工作的階段，圖2為過渡轉換過程減速傘與共軸雙旋翼飛行器結合的實物圖。

圖1 炮射共軸雙旋翼飛行器流程

圖2 減速傘與共軸雙旋翼飛行器

圖3 坐標系與模型框圖

(1)

定義雙旋翼飛行器為剛體，通過牛頓-歐拉方程建立6自由度動力學模型：

(2)

式中：為飛行器與降落傘的總質量；為飛行器與降落傘的轉動慣量；為旋翼的升力；為飛行器與降落傘總重力。，旋翼上下槳葉升力系數(shù)，，上下槳葉的角速度，，為上下槳葉操縱機構傾斜盤揮舞角，總升力為：

(3)

在飛行過程中，旋翼機身所受的阻力飛行速度，下旋翼產(chǎn)出空氣誘導速度、阻力區(qū)域面積和空氣密度有關。

作用載體的力矩為由上下槳葉產(chǎn)生的阻力矩，下槳葉操縱機構產(chǎn)的揮舞力矩組成。質心到下槳葉槳盤的距離為，總力矩可表示為：

(4)

式中：、為阻力矩空氣系數(shù)。

減速降落傘所受的空氣阻力與飛行速度方向相反，其阻力大小與降落傘傘衣面和降落傘阻力系數(shù)有關。飛行器和降落傘被描述為一個非線性系統(tǒng)，由4個控制輸入和，上、下轉子轉速，,沿滾轉軸和俯仰軸的操縱機構揮舞角控制，其控制量表達式為：

(5)

2 控制算法設計

將飛行器與降落傘結合設計展開過程的控制系統(tǒng)，實施減速減旋作用?？刂葡到y(tǒng)分內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)控制將力矩作為控制輸入，對短時間過渡階段的縱向俯仰角度和角速度進行控制。外環(huán)控制是將推力作為控制輸入，對過渡階段的飛行速度進行控制，圖4為控制流程框圖。

圖4 控制流程框圖

將過渡過程動力學模型簡化為：

(6)

式中：滿足如下假設條件：|Δ|≤(,,)，|Δ|≤(,,)，|Δ|≤(,,)，其中，，為未知的正數(shù)，(,,)，(,,)，(,,)為已知非負光滑函數(shù)；為力矩。

2.1 內(nèi)環(huán)控制設計

選取如下形式的Lyapunov函數(shù):

(7)

其中：>0為設計參數(shù)。對兩邊同時求導：

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2 外環(huán)控制設計

(12)

選擇Lyapunov函數(shù)為如下形式：

(13)

(14)

3 仿真分析

為驗證設計的正確性，通過數(shù)值模擬來說明所提控制算法的性能。根據(jù)建立的數(shù)學模型，其參數(shù)如表1所示。初始速度=100 m/s，初始俯仰角=45°，其它狀態(tài)的初始條件為零。其控制參數(shù)如表2所示。仿真時間為12.5 s，在3.7 s時開始進行拋散，在5.3 s時減速傘開始工作。仿真結果如圖5～圖9所示。

表1 共軸雙旋翼飛行器模型參數(shù)

表2 控制參數(shù)

圖5 期望的彈道軌跡與轉化彈道軌跡

根據(jù)仿真結果進行分析，圖5中紅色點畫線為期望彈道軌跡曲線，黑色實線轉換彈道軌跡。得出炮射共軸雙旋翼飛行器在拋散階段之前，兩個軌跡是重合的。當水平方向位移為465 m,高度位移為243 m，開始進行拋散。拋散階段之前之后水平方向軸的速度仍然較大，無法以在指定空域工作。

圖6為轉換過程位置軌跡圖。在減速傘工作后，水平軸位置變化較小，垂直方向軸隨時間近似線性變化，當12.5 s時，飛行器下降高度為100 m，為任務階段初始位置提供了保障。

圖6 轉換過程位置軌跡

圖7為轉換過程的速度圖。當=5.3 s時，在減速降落傘和旋翼系統(tǒng)共同的作用下，水平速度迅速下降10 m/s，垂直速度迅速下降到6 m/s，減速后的速度可以確保飛行器在指定空域正常工作。

圖7 轉換過程的速度

圖8為轉換過程的姿態(tài)角圖，當彈丸到達最高點時，此時俯仰角為90°，在開傘之后，由減速降落傘和旋翼操作機構聯(lián)合作用，俯仰姿態(tài)角調(diào)整為-5°。

圖8 轉換過程的姿態(tài)角

圖9為轉換過程的升力和力矩。在開傘后，通過旋翼升力和力矩迅速作出調(diào)整，經(jīng)過4 s后升力保持在30 N，力矩調(diào)整為平衡狀態(tài)，為工作階段做準備。

圖9 轉換過程的升力和力矩

4 結論

針對炮射共軸雙旋翼飛行器在過渡轉換過程控制問題，提出了一種自適應反步快速部署過渡轉換控制方法。建立了共軸雙旋翼飛行器與減速傘降落傘的聯(lián)立數(shù)學模型，研究了轉換過程調(diào)整姿態(tài)和速度方案策略。通過數(shù)值模擬仿真得到，開傘水平速度和垂直速度調(diào)整到10 m/s，6 m/s，俯仰姿態(tài)角調(diào)整到-5°。在減速降落傘和旋翼操縱機構的聯(lián)合作用下，共軸雙旋翼飛行器的俯仰姿態(tài)和速度可以進行快速的調(diào)整，并可以大幅提高部署速度。