垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法

摘要

本发明提供了垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法，属于垂直起降固定翼飞机导航及控制技术领域，包括建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度指令轨迹、速度指令轨迹、倾转部件俯仰角指令轨迹三个步骤。三种指令轨迹均基于余弦函数，且倾转部件倾转角以速度为自变量，从而形成指令速度对指令倾转角的闭环反馈。本发明相比于传统线性形式的过渡过程轨迹，更符合系统运动学规律，同时表征了垂直起降固定翼飞机过渡过程倾转角与速度的耦合关系。在实际应用中，本方法不受限于垂直起降固定翼飞机过渡过程的初始状态，可在线实现，同时也不受限于垂直起降固定翼飞机的大小和类型，具有通用性强的特点。

权利要求

1.垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度指令轨迹；

S2.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程速度指令轨迹；

S3.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹；

所述步骤S1中，

“垂转平”过渡过程高度指令轨迹 为：

FT FT

其中， 是“垂转平”实际初始高度，T 是“垂转平”期望过渡时间，Δh 是“垂转平”期望高度变化，t是时间变量；

“平转垂”过渡过程高度指令轨迹 为：

BT BT

其中， 是“平转垂”实际初始高度，T 是“平转垂”期望过渡时间，Δh 是“平转垂”期望高度变化，t是时间变量；式(1)和式(2)采用的余弦函数高度指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程的初始和末态期望竖直速度为0；

所述步骤S2中，

“垂转平”过渡过程速度指令轨迹 为：

其中， 是“垂转平”实际初始速度， 是“垂转平”期望末态速度，一般地，“平转垂”过渡过程速度指令轨迹 为：其中， 是“平转垂”实际初始速度， 是“平转垂”期望末态速度，一般地，式(3)和式(4)采用的余弦函数速度指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程的初始和末态期望加速度为0；

所述步骤S3中，

“垂转平”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹 为：其中 为“垂转平”由速度指令预设的期望倾转角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小“垂转平”实际初始倾转角 与预设初始倾转角 之间的误差；

“平转垂”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹 为：其中 为“平转垂”由速度指令预设的期望倾转角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小“平转垂”实际初始倾转角 与预设初始倾转角 之间的误差；式(6)和式(9)采用的余弦函数倾转角指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程初始和末态期望倾转角速度为0；式(5)～式(10)中，对于尾坐式飞机，θ代表机体俯仰角，对于倾转旋/ 机翼飞机，θ代表旋/ 机翼倾转角，对于推力矢量飞机，θ代表推力矢量偏角。

说明书

垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法

技术领域

[0001] 本发明属于垂直起降飞机导航及控制技术领域，涉及垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法。

背景技术

[0002] 垂直起降固定翼飞机主要包括尾坐式、倾转旋(机)翼式、推力矢量式等不同构型，该类飞机可以无需跑道垂直起飞，在空中通过将倾转部件倾转90度(对于尾坐式飞机，倾转部件为整机；对于倾转旋(机)翼飞机，倾转部件为可倾转旋(机)翼；对于推力矢量飞机，倾转部件为推力矢量喷管。)，从而由垂直飞行模式转变到水平飞行模式(垂转平，FT)，实现水平速度的增加，完成飞行任务后，再从水平飞行模式转变到垂直飞行模式(平转垂，BT)，实现减速和垂直降落。垂直起降固定翼飞机由于在水平飞行模式由机翼提供的升力来抵消飞机的重力，因此相比于传统可垂直起降的旋翼飞机，其航程大幅增加，从而在物流配送、电力巡检、安全监控、灾后救援等场景中具有极大的应用前景。

[0003] 但是，垂直起降固定翼飞机在“垂转平”和“平转垂”过渡过程中复杂的动力学特性给其控制带来了很大的挑战，其中之一便是过渡过程的飞推指令构建。目前，常见的过渡过程飞推指令有两种形式：一是线性指令，该方法在工程上简单易行，但其未考虑飞机过渡过程的运动学和动力学特性；二是非线性优化，该方法综合考虑系统动力学、作动器范围和目标函数等约束，但轨迹优化时间较长，从而难以在线求解，且优化算法严重依赖于确定的初始状态，限制了其在工程中的实际应用。

发明内容

[0004] 针对已有过渡过程飞推指令存在的上述问题，本发明新提出了垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法。为实现该目的，本发明采用以下具体技术方案。

[0005] S1.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度指令轨迹；

[0006] S2.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程速度指令轨迹；

[0007] S3.建立垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹。

[0008] 进一步地，所述步骤S1中“垂转平”过渡过程高度指令轨迹 为：

[0009]FT FT

[0010] 其中， 是“垂转平”实际初始高度，T 是“垂转平”期望过渡时间，Δh 是“垂转平”期望高度变化，t是时间变量；

[0011] “平转垂”过渡过程高度指令轨迹 为：

[0012]BT BT

[0013] 其中， 是“平转垂”实际初始高度，T 是“平转垂”期望过渡时间，Δh 是“平转垂”期望高度变化，t是时间变量；式(1)和式(2)采用的余弦函数高度指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程的初始和末态期望竖直速度为0。

[0014] 再进一步地，所述步骤S2中“垂转平”过渡过程速度指令轨迹 为：

[0015]

[0016] 其中， 是“垂转平”实际初始速度， 是“垂转平”期望末态速度，一般地，“平转垂”过渡过程速度指令轨迹 为：

[0017]

[0018] 其中， 是“平转垂”实际初始速度， 是“平转垂”期望末态速度，一般地，式(3)和式(4)采用的余弦函数速度指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程的初始和末态期望加速度为0。

[0019] 更进一步地，所述步骤S3中“垂转平”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹为：

[0020]

[0021]

[0022]

[0023] 其中 为“垂转平”由速度指令预设的期望倾转角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小实际初始倾转角 与预设初始倾转角 之间的误差。

[0024] “平转垂”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹 为：

[0025]

[0026]

[0027]

[0028] 其中 为“平转垂”由速度指令预设的期望倾转角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小“平转垂”实际初始倾转角 与预设初始倾转角 之间的误差；式(6)和式(9)采用的余弦函数倾转角指令轨迹，保证了“垂转平”和“平转垂”过渡过程初始和末态期望倾转角速度为0；式(5)～式(10)中，对于尾坐式飞机，θ代表机体俯仰角，对于倾转旋(机)翼飞机，θ代表旋(机)翼倾转角，对于推力矢量飞机，θ代表推力矢量偏角。

[0029] 本发明的优点在于：

[0030] (1)相比于线性飞推指令，本方法中垂直起降固定翼飞机的“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度、速度和倾转角指令轨迹设计为余弦函数形式，使得“垂转平”和“平转垂”期望竖直速度、加速度、倾转角速度均先增大(且初值为0)再减小(且末值为0)，更符合系统运动学规律。

[0031] (2)相比于线性飞推指令，本方法中垂直起降固定翼飞机的“垂转平”和“平转垂”过渡过程倾转部件倾转角指令轨迹设计为以指令速度为自变量的形式，从而形成指令速度对倾转角的闭环反馈，表征了垂直起降固定翼飞机过渡过程倾转角与速度的耦合关系。

[0032] (3)本方法所采用的余弦函数指令，在表征了系统运动学特性的同时，也不受限于垂直起降固定翼飞机过渡过程的初始状态，可在线实现，在实际工程中适用范围更广。

[0033] (4)本方法不受限于垂直起降固定翼飞机的大小和类型，适用于不同重量的尾坐式、倾转旋(机)翼式、推力矢量式垂直起降固定翼飞机，具有通用性强的特点。

附图说明

[0034] 图1：本发明垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建方法流程图；

[0035] 图2：本发明所述具体实施方式中采用的一种尾坐式垂直起降固定翼飞机；

[0036] 图3：本发明设计的尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”过渡过程指令轨迹；

[0037] 图4：本发明设计的尾坐式垂直起降固定翼飞机“平转垂”过渡过程指令轨迹。

具体实施方式

[0038] 为清楚、完整地展示本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，对本发明作具体实施方式举例。

[0039] 本实例以一四旋翼尾坐式垂直起降固定翼飞机(图1)为例，该飞机设计参数如下表1所示，其作动器包括沿展向分布的四个螺旋桨以及位于机翼底部的左右两个舵面，如表1，螺旋桨1和3为大尺寸螺旋桨，螺旋桨2和4为小尺寸螺旋桨，左右舵面面积相同。

[0040] 表1

[0041]

[0042] 该尾坐式垂直起降固定翼飞机过渡过程飞推指令构建构建的具体步骤如下：

[0043] S1.建立尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度指令轨迹；

[0044] 本步骤中，尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”过渡过程高度指令轨迹 为：

[0045]

[0046] 对于本实施例尾坐式垂直起降固定翼飞机，参数设置为：“垂转平”初始高度为(由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)，“垂转平”期望FT FT过渡时间T ＝5s，“垂转平”期望高度变化Δh ＝10m，t是时间变量。

[0047] 尾坐式垂直起降固定翼飞机“平转垂”过渡过程高度指令轨迹 为：

[0048]

[0049] 对于本实施例尾坐式垂直起降固定翼飞机，参数设置为：“平转垂”实际初始高度(由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)，“平转垂”期BT BT望过渡时间T ＝5s，“平转垂”期望高度变化Δh ＝10m，t是时间变量。

[0050] S2.建立尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程速度指令轨迹；

[0051] 本步骤中，尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”过渡过程速度指令轨迹 为：

[0052]

[0053] 对于本实施例尾坐式垂直起降固定翼飞机，参数设置为：“垂转平”实际初始速度(由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)，“垂转平”期望末态速度

[0054] 尾坐式垂直起降固定翼飞机“平转垂”过渡过程速度指令轨迹 为：

[0055]

[0056] 对于本实施例尾坐式垂直起降固定翼飞机，参数设置为：“平转垂”实际初始速度(由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)，“垂转平”期望末态速度

[0057] S3.建立尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程整机倾转角(即俯仰角)指令轨迹；

[0058] 本步骤中，尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”过渡过程俯仰角指令轨迹为：

[0059]

[0060]

[0061]

[0062] 其中 为由速度指令预设的期望俯仰角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小实际初始俯仰角 与预设期初始望俯仰角 之间的误差；在本实施例中，实际初始俯仰角 (由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)。

[0063] 尾坐式垂直起降固定翼飞机“平转垂”过渡过程俯仰角指令轨迹 为：

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 其中 为由速度指令预设的期望倾转角指令， 为初始误差消除项，其旨在减小实际初始倾转角 与预设期初始望倾转角 之间的误差；在本实施例中，实际初始俯仰角 (由飞机实际状态决定，此处为假设值，不影响本方法的具体实施)。

[0068] 综上，则可建立尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”过渡过程指令轨迹如图3所示，“平转垂”过渡过程指令轨迹如图4所示。其中图3(c)和图4(c)均为按过渡过程时间变化的俯仰角指令，可以看出，“垂转平”俯仰角指令逐渐减小，“平转垂”俯仰角指令逐渐增大；图3(d)和图4(d)均为按速度指令变化的俯仰角指令，可以看出，无论是“垂转平”或“平转垂”，当飞行速度指令接近最大值时，俯仰角指令接近0度，当飞行速度指令接近最小值时，俯仰角指令接近90度，这符合尾坐式垂直起降固定翼飞机动力学特性。

[0069] 此外，由图3和图4可以看出，尾坐式垂直起降固定翼飞机“垂转平”和“平转垂”过渡过程高度、速度、和俯仰角指令轨迹均按照正弦函数形式变化，三个指令轨迹的一阶导数，即期望竖直速度、加速度、倾转角速度均先增大(且初值为0)再减小(且末值为0)，符合系统运动学规律。

[0070] 以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。