共轴双旋翼飞行器伞机转换控制算法研究

徐九龙，郝永平

(沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159)

0 引言

在现代战争中，旋翼飞行器因具有体积小、造价低、对作战环境要求松和战场生存能力强等诸多优点极适合在敏感地带和敌对环境中进行侦察、探测和攻击等行动，以避免人员伤亡和财产损失。此外，旋翼飞行器具有悬停飞行等特性使其在指定区域执行任务时更容易搭载相关任务平台。与固定翼飞行器相比，旋翼飞行器主要缺点为无法长时间和远距离飞行，飞行过程中隐蔽性不好，易暴露目标。为了解决上述问题，人们研制出了炮射共轴双旋翼飞行器，其目标是通过发射装置提供的能量，迅速将弹药带到指定空域后，转换成一个共轴式双旋翼悬浮系统进行侦察、监视、干扰、照明和攻击等特种作战任务。Espinoza等对空投共轴双旋翼无人机的飞行轨迹跟踪与规律进行了研究。Chauffaut等对小型共轴双旋翼无人机采用无伞减速过渡过程控制问题进行了分析。李永泽等针对炮射无人机的弹机转换过程的弹道特性进行了分析与飞行验证。袁新波等提出了某型炮射无人机的总体思路和设计方案并开展了部分验证试验。在弹丸过渡转换飞行器过程中，传统的方法是采用降落伞减速，全程被动无控。

文中采用减速降落伞与共轴双旋翼飞行器联合控制，通过飞行器的旋翼系统进行减速和姿态调整。研究了过渡转换过程减速和姿态调整控制方案策略，建立了转换控制模型。采用自适应反步控制算法设计飞行器过渡转换控制算法，对飞行器过渡转换过程进行了仿真计算。通过仿真分析得出：共轴双旋翼飞行器在过渡转换过程中可以实现减速和姿态调整，大幅地提高部署速度。

1 工作原理与模型建立

炮射共轴双旋翼飞行器分为发射阶段、弹丸飞行阶、抛散阶段、折叠展开阶段和工作阶段，其流程图如图1所示。过渡转换是从抛散到工作的阶段，图2为过渡转换过程减速伞与共轴双旋翼飞行器结合的实物图。

图1 炮射共轴双旋翼飞行器流程

图2 减速伞与共轴双旋翼飞行器

图3 坐标系与模型框图

(1)

定义双旋翼飞行器为刚体，通过牛顿-欧拉方程建立6自由度动力学模型：

(2)

式中：为飞行器与降落伞的总质量；为飞行器与降落伞的转动惯量；为旋翼的升力；为飞行器与降落伞总重力。，旋翼上下桨叶升力系数，，上下桨叶的角速度，，为上下桨叶操纵机构倾斜盘挥舞角，总升力为：

(3)

在飞行过程中，旋翼机身所受的阻力飞行速度，下旋翼产出空气诱导速度、阻力区域面积和空气密度有关。

作用载体的力矩为由上下桨叶产生的阻力矩，下桨叶操纵机构产的挥舞力矩组成。质心到下桨叶桨盘的距离为，总力矩可表示为：

(4)

式中：、为阻力矩空气系数。

减速降落伞所受的空气阻力与飞行速度方向相反，其阻力大小与降落伞伞衣面和降落伞阻力系数有关。飞行器和降落伞被描述为一个非线性系统，由4个控制输入和，上、下转子转速，,沿滚转轴和俯仰轴的操纵机构挥舞角控制，其控制量表达式为：

(5)

2 控制算法设计

将飞行器与降落伞结合设计展开过程的控制系统，实施减速减旋作用。控制系统分内环和外环。内环控制将力矩作为控制输入，对短时间过渡阶段的纵向俯仰角度和角速度进行控制。外环控制是将推力作为控制输入，对过渡阶段的飞行速度进行控制，图4为控制流程框图。

图4 控制流程框图

将过渡过程动力学模型简化为：

(6)

式中：满足如下假设条件：|Δ|≤(,,)，|Δ|≤(,,)，|Δ|≤(,,)，其中，，为未知的正数，(,,)，(,,)，(,,)为已知非负光滑函数；为力矩。

2.1 内环控制设计

选取如下形式的Lyapunov函数:

(7)

其中：>0为设计参数。对两边同时求导：

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2 外环控制设计

(12)

选择Lyapunov函数为如下形式：

(13)

(14)

3 仿真分析

为验证设计的正确性，通过数值模拟来说明所提控制算法的性能。根据建立的数学模型，其参数如表1所示。初始速度=100 m/s，初始俯仰角=45°，其它状态的初始条件为零。其控制参数如表2所示。仿真时间为12.5 s，在3.7 s时开始进行抛散，在5.3 s时减速伞开始工作。仿真结果如图5～图9所示。

表1 共轴双旋翼飞行器模型参数

表2 控制参数

图5 期望的弹道轨迹与转化弹道轨迹

根据仿真结果进行分析，图5中红色点画线为期望弹道轨迹曲线，黑色实线转换弹道轨迹。得出炮射共轴双旋翼飞行器在抛散阶段之前，两个轨迹是重合的。当水平方向位移为465 m,高度位移为243 m，开始进行抛散。抛散阶段之前之后水平方向轴的速度仍然较大，无法以在指定空域工作。

图6为转换过程位置轨迹图。在减速伞工作后，水平轴位置变化较小，垂直方向轴随时间近似线性变化，当12.5 s时，飞行器下降高度为100 m，为任务阶段初始位置提供了保障。

图6 转换过程位置轨迹

图7为转换过程的速度图。当=5.3 s时，在减速降落伞和旋翼系统共同的作用下，水平速度迅速下降10 m/s，垂直速度迅速下降到6 m/s，减速后的速度可以确保飞行器在指定空域正常工作。

图7 转换过程的速度

图8为转换过程的姿态角图，当弹丸到达最高点时，此时俯仰角为90°，在开伞之后，由减速降落伞和旋翼操作机构联合作用，俯仰姿态角调整为-5°。

图8 转换过程的姿态角

图9为转换过程的升力和力矩。在开伞后，通过旋翼升力和力矩迅速作出调整，经过4 s后升力保持在30 N，力矩调整为平衡状态，为工作阶段做准备。

图9 转换过程的升力和力矩

4 结论

针对炮射共轴双旋翼飞行器在过渡转换过程控制问题，提出了一种自适应反步快速部署过渡转换控制方法。建立了共轴双旋翼飞行器与减速伞降落伞的联立数学模型，研究了转换过程调整姿态和速度方案策略。通过数值模拟仿真得到，开伞水平速度和垂直速度调整到10 m/s，6 m/s，俯仰姿态角调整到-5°。在减速降落伞和旋翼操纵机构的联合作用下，共轴双旋翼飞行器的俯仰姿态和速度可以进行快速的调整，并可以大幅提高部署速度。