[發明專利]一種傾轉旋翼機傾轉過渡過程的求解方法

有效

• 申請號: 201611234837.8
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106777739B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 嚴旭飛;陳仁良
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/13;G06F119/14;G06F111/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種傾轉旋翼機傾轉過渡過程的求解方法，其特征在于，包括步驟如下：

1)建立適用于計算傾轉旋翼機傾轉過渡過程的飛行動力學模型；該模型在建立過程中考慮了駕駛員拉力桿操縱量δ_col與u_n；

2)根據不同的飛行任務、飛行姿態、飛行時間以及駕駛員工作負荷建立合適的邊界條件、路徑約束和性能指標，將傾轉旋翼機的傾轉過渡過程轉化為非線性動態最優控制問題；

3)設計數值優化算法對步驟2)中的非線性動態最優控制問題進行求解，得到傾轉旋翼機的傾轉過渡過程；

上述步驟1)中模型在傾轉過渡求解過程中能夠考慮到操縱系統特性對操縱量變化速度的限制，還能避免在數值求解過程中出現跳躍不連續；

上述步驟1)中模型包括：基本非線性飛行動力學模型，混合操縱方程和控制量微分方程；

上述的混合操縱方程為：

上述的控制量微分方程為：

考慮到操縱系統特性對操縱量變化速度的限制，同時為了避免操縱量在優化過程中出現跳躍不連續或者bang-bang型控制的形式，使用δ_col、δ_lon、δ_lat、δ_ped和δ_in的一階導數作為控制量，并把δ_col、δ_lon、δ_lat、δ_ped和δ_in作為新的狀態變量：

上述步驟2)中的性能指標具體為：

其中，

式中，w_t,w₁,w₂,w₃,w₄,w₅為常數權重因子，權重系數越大，對應項越重要；在傾轉過渡過程中，駕駛員通過拇指滾輪讓發動機短艙以固定的角速率進行傾轉，并專注于對總距桿和縱向桿的控制；此外，在傾轉過渡過程中也要關注俯仰角速率和俯仰角的變化，因此各項比重有所不同，權重系數定為：w_t＝1.0,w₁＝2.0,w₂＝2.0,w₃＝1.0,w₄＝1.5,w₅＝1.5；

上述步驟2)中的路徑約束具體為：為了讓高度保持在可接受的范圍內，在路徑約束中根據不同的飛行任務要求對高度變化進行了一定的限制；在路徑約束中對俯仰姿態角和角速率也進行限制：

利用傾轉旋翼機短艙傾轉角-速度包線分析方法確定路徑約束，使傾轉過渡過程保持在短艙傾轉角-速度包線內；

整個傾轉過渡過程中，駕駛員的操縱速率根據對應型號的傾轉旋翼機的助力器速率限制確定：

上述步驟2)中的邊界條件具體為：操縱策略優化初始邊界條件為飛行器當前飛行狀態；將末端邊界條件設定為目標傾轉角度以及前飛速度，即：

其中i_nt為目標發動機短艙傾轉角度，為目標前飛速度，具體數值根據飛行任務要求確定。

2.根據權利要求1所述的傾轉旋翼機傾轉過渡過程的求解方法，其特征在于，上述步驟3)中的數值優化算法具體為：采用直接轉換法和序列二次規劃算法來求解；

在進行數值計算時，首先對飛行動力學模型中的參數進行無量綱縮放；

定義常數k₁，k₂，k₃，k₄對狀態量、控制量和時間進行無量綱縮放：

長度、質量、氣動力和氣動力矩的無量綱縮放如下：

為了使無量綱縮放后的狀態變量和控制變量大小接近1，取k₁＝k₂＝100,k₃＝1,k₄＝0.01；

無量綱縮放后的飛行動力學狀態方程表示為：

將時間的無量綱τ等分為N-1個時間段：

使用直接轉換法把連續空間下的狀態變量和控制變量進行離散，得到非線性規劃問題的設計變量；

則離散后的設計變量為：

其中：

τ_mk＝(τ_k+τ_k+1)/2

對非線性動態最優控制問題中的微分方程進行離散，得到如下缺陷等式約束方程：

其中：

對性能指標進行離散得到：

邊界條件作用于最后一個節點：

路徑約束作用于每一個時間段節點和中間節點：

將非線性動態最優控制問題轉化為非線性規劃問題后，應用序列二次規劃算法求解該非線性規劃問題即可得到最優解；并對最優解中所有節點處的狀態變量和控制變量進行分段3次Hermite插值，得到桿量變化、傾轉規律和飛行軌跡。