[发明专利]共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行控制算法，特别是一种用于共轴双旋翼无人直升机的飞行控制算法，属于航空技术领域。

背景技术

无人直升机由于其具备起降便捷、定点悬停、机动性强的特点，因此作战用途广泛，具有非常可观的作战潜力和发展前景。国外开展无人直升机研制比较早的国家有美国、英国、加拿大、德国等。其中美国上世纪50年代就开始研究无人直升机，60年代QH-50A反潜遥控直升机试飞成功，在越南战争中美国陆军就使用QH-50D无人直升机执行侦察、战场监视、炮兵目标观测等任务。由于无人直升机飞行控制技术存在诸多难点，所以无人直升机相对于固定翼无人机而言，技术和应用的发展一直较为迟缓。

在无人直升机中，共轴双旋翼是一种重要的直升机布局形式，共轴双旋翼无人直升机和常规无人机布局有很大差别，共轴双旋翼无人直升机具有绕同一轴线正反旋转的上下两幅旋翼，由于两幅旋翼旋转方向相反，所以其产生的扭矩在航向恒定的情况下相互抵消，因而取消了尾桨；同时通过上下旋翼总距的差动操作来实现无人直升机的航向操纵，两幅旋翼在直升机的飞行过程中既是升力面又是纵横向和航向的操纵面。共轴双旋翼无人直升机由于独特的布局形式，非常适合光缆一类柔性线缆的快速敷设。将电缆放线机构与无人机机体进行集成，利用无人直升机快速飞行和垂直起降能力，实现一个机动灵活，适应性强的无人机线缆快速敷设系统。

但要工程上实现该系统，存在以下困难：

1)无人直升机是一个复杂的非线性、多输入多输出系统

从系统角度分析，无人直升机的非线性主要存在于数学模型的非线性和执行机构的非线性上。由于旋翼动力特性的非线性效应严重,无人直升机不仅在不同飞行状态时的特性差异较大,而且即使在同一飞行状态,当施加机动操纵量时,也会激发出强非线性响应。同时,由于无人直升机通道之间的固有耦合严重,一个通道的执行机构非线性不仅影响本通道的飞行响应,还会较强地影响到其他通道的响应。

2)控制对象的不确定性

无人直升机自主飞行控制系统设计者所面临的主要挑战是如何处理控制对象的不确定性，即在数学建模所描述无人直升机动力学特性和实际系统不一致时，如何依然能够对飞行器进行准确有效的控制。从控制系统理论的角度分析，无人直升机自主飞行控制系统必须具有很强 的鲁棒性，具体的控制算法和控制参数应该与动态模型弱相关，对于模型的结构或参数摄动不敏感。

针对光缆敷设的无人直升机，除了上述困难外，还必须考虑柔性线缆在敷设过程的特殊问题。

第一需要对线缆的应力，即所受的张力进行准确检测和估计，并控制光缆盘的放线速度，保证光缆所受的张力在规定值以下，使光缆结构免受机械损伤。

第二需要控制光缆的放线速度，确保光缆在放线过程中施加给共轴双旋翼无人机的外力恒定。

第三需要在柔性线缆张力的扰动下优化飞行控制算法，提高飞行器平台的飞行品质，使得飞行器平台具有良好的操稳性

发明内容

本发明的目的是对共轴双旋翼无人直升机、放线装置、线缆这一组合体的相互关系及将线缆的张力控制和飞行器速度控制进行统一考虑。提出一套完整的线缆张力控制、飞行器鲁棒控制算法，在保证线缆张力恒定的情况下，实现无人直升机的姿态稳定。并给出控制器的具体实现结构。

本发明第一方面提供一种共轴双旋翼无人直升机飞行控制算法，其包括：

(1)共轴双旋翼无人直升机与柔性线缆的动力学模型分析

综合考虑飞行控制系统系统的控制结构，采用两个单独的模型，其核心动力学模型将单独反应直升机的姿态和速度特性的动力学方程。控制结构决定了该模型是一个2输入、6输出的系统，它的状态空间方程表达见式(3.1)：

x·=Ax+Bu,y=Cx---(3.1)]]>