[发明专利]扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法

摘要

本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，包括获取被研究扑翼飞行器基本参数；建立气动模型；建立动力学模型；对复合飞行过程进行描述；建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；建立控制率模型；将气动模型、动力学模型、复合飞行规划模块、飞行能量消耗计算模型和控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。优点为仿真技术人员可以高效利用Matlab/Simulink仿真环境，搭建扑翼飞行器复合飞行仿真模型，通过分析不同飞行策略的仿真结果，对扑翼飞行器的复合飞行能力进行判定，并寻找较优的飞行策略，在扑翼飞行器工程上的改进方面具有一定指导意义。

主权项

一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取被研究的扑翼飞行器的基本参数，包括：参考面积、飞行器质量以及飞行器转动惯量；步骤2，对扑翼飞行器进行风洞实验，基于风洞实验数据以及扑翼飞行器的基本参数，建立气动模型；其中，所建立的气动模型为多输入多输出系统，其输入变量包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度；其输出变量为作用在全机的力及力矩；步骤3，基于刚体六自由度模型方程，对扑翼飞行器的动力学进行数学建模，得到动力学模型；其中，所述动力学模型为多输入多输出系统，其输入变量包括作用在全机的力及力矩、飞行器质量以及飞行器转动惯量；其输出变量包括实际飞行速度、实际飞行高度、实际飞行姿态、实际飞行攻角和实际机体角速率；步骤4，建立复合飞行规划模块；所述复合飞行规划模块用于对复合飞行过程进行描述；其中，对所述复合飞行过程进行描述具体指：对扑动‑滑翔过渡过程、滑翔过程、滑翔‑扑动过渡过程的各个不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值进行规划设计，从而使扑翼飞行器进行扑动‑滑翔‑扑动的复合飞行过程；步骤5，基于风洞试验数据，通过二维线性插值，建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；步骤6，建立控制率模型；步骤7，根据所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型之间的逻辑关系，将所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型；其中，步骤4中，所述复合飞行规划模块对所述复合飞行过程进行描述具体指：第1过程：正常扑动飞行过程：给出扑动飞行过程的起始时间节点t0和结束时间节点t1，给出起始时间节点t0到结束时间节点t1之间的基准扑动频率和基准扑动幅度，在本过程中，设基准扑动频率的给定值为L1，基准扑动幅度的给定值为F1；第2过程：扑动到滑翔的过渡过程：扑‑滑过渡的起始时间即为t1，给出扑‑滑过渡的结束时间t1+△t1；在扑‑滑过渡过程△t1时间长度中，使基准扑动幅度从F1按一定的变化规律向0趋近；使基准扑动频率从L1按一定的变化规律向0趋近；第3过程：滑翔过程：滑翔过程的起始时间即为t1+△t1，给出滑翔过程的结束时间t1+△t1+t2；在滑翔过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值均为0；第4过程：滑翔到扑动的过渡过程，滑‑扑过渡过程的起始时间即为t1+△t1+t2，给出滑‑扑过渡过程的结束时间t1+△t1+t2+△t2+△t3；在滑‑扑过渡过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值分别恒定为F1和L1；第5过程：恢复到第1过程的扑动飞行过程；还包括：步骤8，按照所述复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程，进行仿真；仿真过程为：步骤8.1，当进行第1过程的仿真时，控制率模型同时启动三组控制率单元，即：第1控制率单元包括串联的第1外环高度控制器、内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型；第2控制率单元为串联的第1外环速度控制器、扑动频率求和单元、速率改变限制器以及限幅器；第3控制率单元为串联的第2外环速度控制器、扑动幅度求和单元、速率改变限制器以及限幅器；通过所述第1控制率单元、所述第2控制率单元和所述第3控制率单元的作用，使所述控制率模型输出当前时刻的实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值；所述实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值输入到所述气动模型，同时，所述气动模型接收所述动力学模型输出的实际飞行速度、实际飞行攻角和实际机体角速率；所述气动模型输出作用于全机的力和力矩；所述气动模型输出的作用于全机的力和力矩输出给所述动力学模型；所述动力学模型同时读取到飞行器质量和飞行器转动惯量，所述动力学模型计算得到当所述力和力矩作用于全机时，状态发生改变后的扑翼飞行器的飞行参数；其中，所述飞行参数包括状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度、状态调整后的实际飞行姿态、状态调整后的实际飞行攻角和状态调整后的实际机体角速率；然后，所述动力学模型将状态调整后的实际飞行攻角、状态调整后的实际机体角速率和状态调整后的实际飞行速度输出给所述气动模型；所述动力学模型将状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度和状态调整后的实际飞行姿态输出给所述控制率模型的三组控制率单元；所述第1控制率单元的所述第1外环高度控制器比较状态调整后的实际飞行高度和飞行高度设定值之间的偏差，得到飞行姿态设定值，然后，将所述飞行姿态设定值输出给所述内环姿态控制器；所述内环姿态控制器比较飞行姿态设定值和状态调整后的实际飞行姿态之间的偏差，所述内环姿态控制器输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量初值求和，经过限幅器限幅和舵机模型调制后，得到实际舵量值；另外，所述第2控制率单元的所述第1外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动频率调整量，再将扑动频率调整量和基准扑动频率求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为L1；扑动频率调整量和基准扑动频率的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动频率；另外，所述第3控制率单元的所述第2外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动幅度调整量，再将扑动幅度调整量和基准扑动幅度求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为F1；扑动幅度调整量和基准扑动幅度的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动幅度；由此实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，进而保证在进行第1过程的仿真时，保证扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行；步骤8.2，当进行第2过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到按线性或非线性规律不断减少的基准扑动幅度和基准扑动频率，此处的基准扑动幅度和基准扑动频率即为飞行器实际的扑动幅度和实际扑动频率，然后，气动模型产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率不断减小的扑动到滑翔的过渡过程；步骤8.3，当进行第3过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中基准扑动幅度和基准扑动频率均为0，产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率均为0的滑翔过程；步骤8.4，当进行第4过程的仿真时，同时启动控制率模型所包括的三组控制率单元，同时，通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中的基准扑动幅度值和基准扑动频率值分别与第1过程的基准扑动幅度值和基准扑动频率值相等，即：本过程中，基准扑动幅度值为F1；基准扑动频率值为L1；然后，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，使扑翼飞行器完成滑翔‑扑动过渡过程；步骤8.5，当进行第5过程的仿真时，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，最终实现扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行；还包括：步骤9，在按照复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程进行仿真的过程中，飞行能量消耗计算模型实时接收到每一仿真时刻扑动飞行器的实际扑动频率和实际扑动幅度，从而可计算得到每一仿真时刻扑动飞行器的实际飞行功率；将仿真整个过程的实际飞行功率进行积分运算，得到仿真整个过程的飞行能量消耗；再基于相关执行机构及电池的效率模型，获取最终的能量消耗；步骤10，通过对仿真整个过程的飞行能量消耗进行分析，并与恒定扑动飞行情况做对比，评价扑翼飞行器的复合飞行能力。