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无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计

控制理论与应用 2016年第3期33卷 273-279页

作者：鲜斌张旭杨森天津大学电气与自动化工程学院机器人与自主系统研究所天津市过程检测与控制重点实验室天津300072

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统,本文设计了一种新型控制策略.本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的数学模型.其中负载被看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点.之后本文通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器.本... 详细信息

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统,本文设计了一种新型控制策略.本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的数学模型.其中负载被看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点.之后本文通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器.本文提出的控制方法可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置.本文运用李雅普诺夫稳定性分析和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真,分别将本控制器镇定控制和调节控制的控制效果与线性二次调节器(linear-quadratic regulator,LQR)控制器进行了对比.

关键词：四旋翼无人机抗摆控制吊挂能量方法

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机翼吊挂耦合多余度刚度特性试验及分析方法

西安交通大学学报 2020年第12期54卷 158-167页

作者：张鹏飞聂宏吴剑飞栾涛中国商飞上海飞机设计研究院上海200012 南京航空航天大学航空学院南京210016

针对飞机机翼和发动机吊挂耦合刚度特性试验和分析难题,采用机翼和吊挂结构多余度不对称耦合刚度试验和数值仿真方法,解决了结构余度分析、多类载荷协调加载、耦合刚度识别、有限元模拟、刚度特性试验和分析等问题。对比分析试验和仿真... 详细信息

针对飞机机翼和发动机吊挂耦合刚度特性试验和分析难题,采用机翼和吊挂结构多余度不对称耦合刚度试验和数值仿真方法,解决了结构余度分析、多类载荷协调加载、耦合刚度识别、有限元模拟、刚度特性试验和分析等问题。对比分析试验和仿真得到的位移和应变,研究了机翼和吊挂的强度水平,以结构冗余度为指标,研究了机翼和吊挂的强度水平和耦合刚度特性,结果表明,关键位置应变结果误差小于3%,变形结果偏差小于4.9%,验证了分析模型和结果的可靠性。对典型工况分析后表明,机翼弯曲吊挂侧偏和机翼扭转吊挂俯仰耦合特性明显,其中机翼弯曲吊挂侧偏表现出明显的不对称性,不对称差异达到21%;结构余度影响耦合性能,随着结构余度的降低,耦合特性增大,以位移比为指标,侧偏最大可达到5倍以上,扭转最大可达1倍以上。该试验和仿真分析方法可以用于复杂结构耦合刚度试验以及强度设计和分析。

关键词：机翼翼吊飞机吊挂耦合刚度结构余度数值仿真

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考虑螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析

东北大学学报（自然科学版） 2020年第5期41卷 686-692页

作者：马辉付强李坤樊富友东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室辽宁沈阳110819 中国兵器集团公司长沙机电产品研究开发中心湖南长沙410100

以含螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳为研究对象,采用商用有限元分析软件ANSYS建立了系统的全实体/梁-壳混合有限元模型.基于所建立的模型,分析讨论了自由/约束边界,法兰/吊挂处预紧力对系统固有特性的影响,并通过试验进行了对比验证.研究结... 详细信息

以含螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳为研究对象,采用商用有限元分析软件ANSYS建立了系统的全实体/梁-壳混合有限元模型.基于所建立的模型,分析讨论了自由/约束边界,法兰/吊挂处预紧力对系统固有特性的影响,并通过试验进行了对比验证.研究结果表明:本文所建立的有限元模型能较好地模拟螺栓连接处界面接触压力及其分布情况,且在保证一定精度的前提下,梁-壳混合模型较全实体模型的计算效率高;吊挂约束的存在对系统的固有频率和振型影响较大;法兰处螺栓预紧力对系统第5~8阶固有频率影响较大,而吊挂处螺栓预紧力对系统前3阶固有频率影响较大.

关键词：螺栓连接吊挂薄壁柱壳固有特性预紧力

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重型直升机-吊挂耦合系统闭环飞行品质分析

北京航空航天大学学报 2016年第7期42卷 1550-1556页

作者：朱笑宇曹义华曹龙北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

以CH-53A/D直升机为对象,研究重型直升机在增稳控制系统工作条件下外挂载荷运输飞行任务中的飞行品质问题。基于单质点吊挂假设和控制系统模型,建立了直升机-吊挂耦合闭环系统的非线性动力学模型。在该假设下,吊挂物引入了额外的自由度... 详细信息

以CH-53A/D直升机为对象,研究重型直升机在增稳控制系统工作条件下外挂载荷运输飞行任务中的飞行品质问题。基于单质点吊挂假设和控制系统模型,建立了直升机-吊挂耦合闭环系统的非线性动力学模型。在该假设下,吊挂物引入了额外的自由度和约束,使方程增加为13阶的微分方程组。针对闭环状态下的耦合系统,进行了小扰动线性化处理,在此基础上进行了吊挂飞行操纵响应的时域特性和频域特性分析,参照军用旋翼飞行器驾驶品质要求(ADS-33E)的品质指标分析了吊挂物质量、吊挂绳长和直升机前飞速度对耦合系统飞行品质的影响。结果表明,吊挂物质量、吊挂绳长和前飞速度对于系统的时域特性以及各项操纵品质有不同程度的影响。

关键词：直升机吊挂闭环飞行品质控制系统

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带大载荷吊挂直升机悬停纵向操纵性分析

南京航空航天大学学报 2005年第4期37卷 421-426页

作者：孙传伟徐进南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家重点实验室南京210016

建立带吊挂直升机飞行操纵性分析的理论分析模型。在广义动态入流理论的基础上,基于经典非定常气动载荷理论,建立了尾迹畸变和尾迹耗散的实时分析模型。为模拟大负载情况下旋翼转速的波动,建立了双发准定常涡轮轴发动机实时仿真模型。... 详细信息

建立带吊挂直升机飞行操纵性分析的理论分析模型。在广义动态入流理论的基础上,基于经典非定常气动载荷理论,建立了尾迹畸变和尾迹耗散的实时分析模型。为模拟大负载情况下旋翼转速的波动,建立了双发准定常涡轮轴发动机实时仿真模型。吊挂模型为多段柔性吊索模型,包括吊钩模型和吊挂载荷模型。最后,对比计算和分析了吊挂飞行时的悬停操纵功效。

关键词：直升机吊挂动态入流尾迹畸变旋翼

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直升机吊挂飞行稳定性和操纵性分析

南京航空航天大学学报 2011年第3期43卷 406-412页

作者：齐万涛陈仁良南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室南京210016

建立直升机吊挂飞行的直升机/吊挂物/吊索耦合飞行动力学模型。其中直升机基本飞行动力学模型,包括挥、摆耦合的旋翼桨叶挥舞、摆振模型和弹性扭转模型,采用动态入流理论的旋翼尾迹模型,并考虑了旋翼尾迹对吊挂物的影响,还有直升机六自... 详细信息

建立直升机吊挂飞行的直升机/吊挂物/吊索耦合飞行动力学模型。其中直升机基本飞行动力学模型,包括挥、摆耦合的旋翼桨叶挥舞、摆振模型和弹性扭转模型,采用动态入流理论的旋翼尾迹模型,并考虑了旋翼尾迹对吊挂物的影响,还有直升机六自由度运动模型;建立了吊挂物刚体运动模型和根据风洞实验结果确定的吊挂物气动力模型,吊索采用柔索模型。在此基础上,比较了无吊挂配平操纵量与实验结果和吊挂飞行配平计算结果,分析了吊挂物对直升机平衡稳定性的影响以及直升机质心位置和吊点位置对稳定性的影响,在频域里进行了吊挂飞行的操纵性分析,计算结果与飞行实测进行了对比,二者吻合较好。

关键词：直升机吊挂配平稳定性操纵

基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统动力学建模

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航空动力学报 2016年第4期31卷 934-940页

作者：万绍峰曹义华黄磊北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 中国船舶重工集团公司第710研究所研发部湖北宜昌443003 中国航空工业集团公司中国直升机设计研究所总体室江西景德镇333001

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.... 详细信息

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.考虑重力、气动力和弹性力的影响,建立直升机-吊挂系统的Kane动力学方程.针对直升机本体和考虑吊挂绳索柔性的直升机-柔性绳索-吊挂系统这两种模型,计算了它们在不同前飞速度下的配平状态,分析了其运动模态并进行对比.仿真结果表明:外吊挂引入后,直升机需要额外的总距操纵;考虑吊挂绳索柔性后,直升机长周期运动的收敛/发散速度变慢;Kane方法适用于直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模,方程整齐简洁,编程求解方便.

关键词：直升机吊挂柔性绳索 Kane方法动力学模型

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直升机吊挂控制系统飞行品质分析

航空动力学报 2021年第1期36卷 130-136页

作者：聂文松曹义华李强北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 中国航空工业集团有限公司西安飞行自动控制研究所飞行控制部西安710065

基于直升机指令模型、PID控制和动态逆控制理论,建立了三种直升机吊挂耦合系统控制模型以研究吊挂对直升机飞行品质的影响。依据军用旋翼飞行器飞行品质规范(ADS-33E)和直升机带吊挂飞行的飞行品质要求,对各控制模型进行了仿真和频域分... 详细信息

基于直升机指令模型、PID控制和动态逆控制理论,建立了三种直升机吊挂耦合系统控制模型以研究吊挂对直升机飞行品质的影响。依据军用旋翼飞行器飞行品质规范(ADS-33E)和直升机带吊挂飞行的飞行品质要求,对各控制模型进行了仿真和频域分析,并研究了吊挂质量和吊索长度对系统飞行品质的影响。结果表明:引入吊挂摆角状态反馈可提高系统操纵品质,系统幅值裕度达到12.6 dB,增益带宽为3.31 rad/s。而吊挂摆角的滞后反馈可使吊挂摆角在1 rad/s频率附近的幅值衰减减少一半,但系统操纵品质变差,增益带宽仅为0.62 rad/s。此外,较大的吊挂质量和较长的吊索长度将严重影响系统的飞行品质。

关键词：直升机吊挂控制系统频域分析飞行品质

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直升机吊挂流场数值模拟与尾鳍设计分析

北京航空航天大学学报 2012年第5期38卷 654-658页

作者：马超曹义华徐忠达北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

根据已知的直升机吊挂的几何尺寸,利用CAD软件建立了两种吊挂的三维模型.利用图像测绘的方法对第1种吊挂尾鳍进行了初步设计,通过计算流体力学(CFD,Com-putational Fluid Dynamics)方法对带尾鳍的吊挂模型进行了计算与分析,气动力计算... 详细信息

根据已知的直升机吊挂的几何尺寸,利用CAD软件建立了两种吊挂的三维模型.利用图像测绘的方法对第1种吊挂尾鳍进行了初步设计,通过计算流体力学(CFD,Com-putational Fluid Dynamics)方法对带尾鳍的吊挂模型进行了计算与分析,气动力计算结果与理论计算结果吻合较好.此外,对第2种UH-60黑鹰直升机带尾鳍吊挂进行了CFD计算,考察了尾鳍对吊挂流场的影响.通过对两种带尾鳍的直升机吊挂情况的计算分析,证明了尾鳍对保证吊挂在飞行过程中的航向稳定性具有关键的作用,进而提出了一种基于无空气阻尼力假设的直升机吊挂尾鳍尺寸的设计方法,并对第2种吊挂状态下的尾鳍尺寸进行了计算设计.计算所得到的尾鳍面积对航向稳定性的影响结果与国外风洞实验结果保持一致.

关键词：直升机吊挂计算流体力学尾鳍航向稳定性