升力风扇无人机垂直起飞控制系统设计与仿真

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1、第42卷第4期2012年7月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．4Jul．2012升力风扇无人机垂直起飞控制系统设计与仿真王平，詹浩，张怡哲(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：针对升力风扇无人机升力产生原理异于常规飞机的特殊性，对无人机进行了受力情况分析，建立了垂直起飞阶段全量飞行力学数学模型，并详细给出了纵向和横航向的控制方案。采用传统控制律设计方法对升力风扇无人机垂直起飞过程的高度、纵向及横航向控制回路进行了设计，并搭建控制仿

2、真平台进行了仿真验证，通过仿真结果分析了该类型飞机的运动特性，验证了控制系统的正确性和可行性。关键词：升力风扇无人机；垂直起降；控制方案；飞行控制中图分类号：v249．1文献标识码：A文章编号：1671—654X(2012)04．0077—05DesignandSimulationforControlSystemofVerticalTake--offLift··fanUAVWANGPing，ZHANHao，ZHANGYi—zhe(SchoolofAeronautics，NorthwesternPol

3、ytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Thecharacteristicsoftheliftgeneratingphysicsoflift—fanaircraftdifferfromconventionalair—craft．Theforcesandmomentsoftheaircraftareanalyzedindetail，andthefullvariablemathematicalmodelofverticaltake—offUAVis

4、establishedandthedetailedlongitudinalandlateralcontrolstrategiesaregivenaswell．Conventionalcontrollawmethodisadoptedtodesigntheattitude，longitudinalandlat—eralcontrolloopofverticaltakeoffperiod，andcontrolsimulationplatformisestablished．Throughthesire—u

5、lationresults，themotioncharacteristicsofthistypeaircraftareanalyzed，andthevalidityandfeasibilityofthecontrolsystemarevalidated．Keywords：liftfanUAV；verticaltake—off；controlstrategy；flightcontr01．引言在现代战争中，垂直起降飞机因不依赖于固定机场、使用成本低、隐秘性好、出勤率高等优势备受各国军方的青睐。20世纪5

6、0年代以来，美国、加拿大和欧洲等各航空大国掀起了研制垂直起降战斗机的热潮，从提出理念至今已经有60年，但最终投入使用的只有为数不多的几种，如喷气式的AV一8B、鹞式战斗机、雅克一38、F一35B和旋翼式的V一22等。垂直起降提供升力的办法有两类：一类是通过推力转向来实现垂直起降，利用发动机喷流的反作用力获得垂直升力，但该方法提供升力的效率较低；另一种垂直起降的办法则是利用升力风扇产生垂直升力，升力风扇(Lift．fan)是一种特殊用途的涵道风扇系统，能够实现超短距离／垂直起降。飞机利用升力风扇产生的

7、推力上升到一定高度后转入过渡飞行阶段进行加速平飞，此过程前飞动力由升力风扇和飞机尾部喷气发动机共同提供，升力由升力风扇和气动升力共同提供。随者前飞速度的提高，机翼产生的升力逐渐增大，达到一定速度之后升力风扇停止工作，由飞机尾部的喷气发动机直接提供推力进行常规飞行。本文研究的升力风扇无人机采用三涵道风扇提供垂直起飞升力实现垂直起降，三风扇由机头辅助风扇与机翼两侧主涵风扇组成。在起飞过程中，由于没有前飞速度，飞机本体基本不产生气动力、力矩，克服重力所需的升力主要由两个主涵道风扇提供，机头附近的辅助风扇主

8、要用于起飞阶段的俯仰姿态控制。垂直起飞升力风扇无人机控制系统设计存在以下难点：第一，无人机在转入过渡飞行前需稳定在安全高度，控制系统需调节风扇工作状态实现高度稳定；第二，真实飞行状态下，飞机的前后风扇工作状态不是理想状态，由此会带来飞机的纵向及横航向姿态的偏差，控制系统需要对飞机的俯仰、滚转和偏航进行控制，实现纵向、横航向稳定。本文对升力风扇无人机起飞阶段进行了详细的受力分析，建立了飞机动力学和运动学数学模型，详细给收稿日期：2012—06—06作者简介：千平(198