[發明專利]基于線性模型組的無人直升機全包線數學模型構建方法

有效

• 申請號: 201210012894.7
• 申請日: 2012-01-16
• 公開（公告）號: CN102566446A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 尹亮亮;孫春貞;祖家奎
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 艾中蘭

技術領域

本發明涉及一種無人直升機數學模型的構建方法，特別涉及一種基于線性模型組的無人直升機全包線數學模型構建方法，屬于無人直升機建模領域。

背景技術

無人直升機運動機理極其復雜，通過機理建模方法難以建立準確的數學模型，而且機理建模法模型階次高，算法復雜，難以滿足實時性的要求。試飛辨識建模是一種新興的建模手段，其通過開展飛行試驗，運用系統辨識方法得到無人直升機的數學模型。相比機理建模法，試飛辨識建模能得到低階且非常準確的數學模型。但是，試飛辨識建模只能得到一個工作點處的線性模型，該模型可用于對象特性分析、控制律設計、飛行品質分析，卻不能用于全過程仿真。而全過程仿真是在工程研究中一種必須的驗證手段，通過全過程仿真，可以在地面狀態下對飛行控制系統的控制邏輯、魯棒性、可靠性進行全面的檢驗。而全包線數學模型是全過程仿真的基礎。

發明內容

為了解決試飛辨識模型無法用于全過程仿真的局限性，本發明提供了一種基于線性模型組的無人直升機全包線數學模型構建方法，通過將多個工作點的線性模型進行集成，得到全包線的數學模型，以滿足全過程仿真的需求。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于線性模型組的無人直升機全包線數學模型構建方法，其特征在于以試飛辨識模型為基礎，將無人直升機的飛行包線劃分為m×n個區間，m、n為自然數，每個飛行包線區間內無人直升機的動態特性用一個線性模型來近似表征，通過一組線性模型覆蓋整個飛行包線，并對該組線性模型進行全量狀態解算，再針對非穩定飛行狀態對該組線性模型進行修正，并對該組線性模型進行加風，從而得到全包線范圍內的數學模型。

由于試飛辨識模型具有非常高的精度，因此用本發明方法構建的數學模型能非常準確地反映全包線范圍內的動態特性，由于模型采用線性方式實現，因此運算量小，非常容易滿足實時性要求。該方法實現過程簡單，開發周期短，適合小型低成本無人直升機系統使用。

附圖說明

圖1是飛行包線劃分示意圖

圖2是線性模型組原理圖

圖3是線性模型組解算流程

圖4是協調轉彎原理圖

圖5是加風原理圖

具體實施方式

本發明的基于線性模型組的無人直升機全包線數學模型構建方法以試飛辨識模型為基礎，將無人直升機的飛行包線劃分為m×n個區間，m、n為自然數，每個飛行包線區間內的動態特性用一個線性模型來近似表征。這樣，通過一組線性模型，即可覆蓋整個飛行包線，從而得到全包線范圍內的數學模型。由于試飛辨識只能在穩定飛行狀態下進行，因此只能得到懸停或平飛狀態下的線性模型，為了使線性模型組具有和非線性模型類似的特性，還需要對模型進行修正。同時，為了滿足仿真的需求，需要在模型中加入風場信息。

本發明方法具體包括如下步驟：飛行包線區間的劃分、模型解算、模型修正和模型加風。

1、飛行包線區間的劃分

無人直升機的飛行包線由飛行速度和飛行高度決定，因而按照飛行高度和空速將其飛行包線劃分為若干區間，如圖1所示，本具體實施方式中高度以200m為間隔，空速以5m/s為間隔進行飛行包線區間的劃分。在每個飛行包線區間內取其中間點作為特征工作點，辨識其動力學模型，包括A、B陣，配平輸入和配平狀態。由于空速對無人直升機運動特性的影響較大，因此對空速的劃分應該相對密集。

2、模型解算

線性模型是特定飛行狀態下的小擾動模型，是以增量的形式進行解算的，而非線性模型的輸入和輸出都是全量的。線性模型組要實現與非線性模型相同的功能，必須將模型的輸入和輸出都轉化成全量。

線性模型組的原理如圖2所示，其中u為全量輸入，x為全量狀態，u_trim為當前飛行狀態下的配平輸入，x_trim為當前飛行狀態下的配平狀態。Δu為輸入增量，Δx為狀態增量，A、B分別為飛行狀態對應包線區間內的狀態矩陣和輸入矩陣。其中u_trim，x_trim、A、B可通過試飛辨識得到?？梢钥闯?，模型內部的解算都是基于增量的，而模型的輸入和輸出都是全量。