某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型分析.pdf

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1、总第176期2013年第3期直升机技术HELICOPTERTECHNIQUETotalNo．176Ⅳo．32013文章编号：1673—1220(2013)03-006-05某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型分析裴少俊，刘宝，顾冬雷(南京模拟技术研究所，江苏南京210016)摘要对某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型进行了结构框图分解，分析了从操纵输入到状态响应的原理机制，应用美军标ADS-33飞行品质规范评估了该型无人直升机在悬停状态的稳定性、中小幅值姿态变化响应和轴间耦合特性等品质等级，指导了飞行控

2、制律的设计，使闭环后整机飞行品质达到了等级1的要求。关键词无人直升机；结构框图；飞行品质；控制优化中图分类号：I"212．12；坨49．1文献标识码：AAnalysisofanUnmannedHeficopterFrightDynamicModelinHoverPEISaojan，LIUBao，GUDonglei(NanjingInstituteofSimulationTechnology，Nanjing210016，China)AbstractAnunmannedhelicopterdynamicmo

3、delinhoverwasstudiedinthispaper，theinternalmechanismofcontrolinputtostatesresponsewasindicatedfollowingthemodelblockdiagramde—composition，thequalitiesofstability，smallandmoderateamplitudeattitudechangesandinteraxiscouplingwereassessedinaccordancewithrequ

4、irementsofADS一33E—PRF．FlightcontroldesignWilt8guidedaccordingtotheanalysisresults，bringonhandlingqualitiesofLevel1．Keywordsunmannedhelicopter；blockdiagram；handlingqualities；controloptimization0引言无人直升机飞行动力学模型是飞行控制律设计的基础，对其进行深入分析才能全面理解被控对象的物理特性。直升机飞行动力学模型一

5、般以时域状态空间方程或频域的传递函数形式描述，不能直观反映系统各部分的相互关系。将模型还原成系统结构框图形式可以清晰地描述出从操纵输入到产生状态响应的物理机制。美国陆军的航空设计标准¨J‘‘ADS一33E—PRF军用旋翼飞行器驾驶品质要求”(以下简称ADS一33)是当今直升机设计引用最多的品质规范，本文应用该标准针对无人直升机自身特性做适应性剪裁，从稳定性、中小幅值姿态变化响应和轴间耦合三方面评价某型无人直升机悬停状态下的飞行品质，以此指导飞行控制律的设计，充分利用原机品质好的特性，补偿品质差的特性，以

6、实现控制性能的优化。收稿日期：2013—04—08作者筒介：裴少俊(1964一)，男，江苏宜兴人，高级工程师，研究方向：飞行控制。2013年第3期裴少俊，刘宝，顾冬雷：某型无人直升机悬停状态飞行动力学模型分析‘7·1数学模型本文以某单旋翼带尾桨常规布局轻型无人直升机‘51为研究对象，旋翼为跷跷板结构，高置平尾，垂尾后掠布局。其悬停状态线性小扰动方程如式(1)。≯=一3．87p一29+0．67瓯叠=0．61p一1．3q一0．2286i=一0．145p一0．1q一0．25r一0．178p+0．328。甄=一

7、gp+0．5386巧=舯+0．58。+0．1∞，仡=一0．36Vz+1．15r一4．688。(1)其中，g一32．1ft／rad．s2，状态[币p吒t，，％Pgr]分别表示滚转角、俯仰角、前向速度、侧向速度、垂向速度、滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度。控制输入变量[瓯6。6。6。]分别表示纵向、横向、总距和尾桨变距输入。该模型和试飞数据的时域贴合度达75％以上垆1，可用于飞行动力学特性分析和飞行控制律设计。2模型飞行原理分析为了直观把握系统中各个部分的相互关系，将式(1)按照纵横向分解方法13J还原成

8、系统结构框图的形式分别加以分析。图1给出了纵垂向结构框图。纵向周期变距瓯变化引起旋翼锥度角前后变化，旋翼拉力倾斜一方面通过力的导数嚣直接产生纵向加速度变化，另一方面通过主操纵导数弼。引起机身俯仰角速度变化，从而引起俯仰角低头或抬头的反应，姿态的改变通过气动导数霹引起纵向加速度，进而引起前向速度的变化。总距的增加使旋翼产生的升力增加，产生向上的加速度，通过自身阻尼系数瓦最终产生垂速变化。悬停时纵垂向耦合比较简单，俯仰姿态角的变化引起垂速变化，