[發(fā)明專利]一種高效的直升機機動飛行品質(zhì)等級評估方法

有效

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• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN106874617B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳偉;陳仁良
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

本發(fā)明公開一種高效的直升機機動飛行品質(zhì)等級評估方法，解決當(dāng)前直升機機動飛行品質(zhì)設(shè)計過程中，基于數(shù)值模擬方法進行機動飛行品質(zhì)等級評估的技術(shù)難題，建立一套高效的且具有統(tǒng)一形式的機動科目數(shù)學(xué)描述方法以及駕駛員操縱量求解方法，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)直升機機動飛行品質(zhì)的數(shù)值評估。本發(fā)明基于固定的機動科目數(shù)學(xué)描述參數(shù)向量建立了統(tǒng)一的機動科目數(shù)學(xué)描述形式，克服了傳統(tǒng)方法依賴固定飛行軌跡的缺陷，實現(xiàn)了各類型機動科目的數(shù)學(xué)描述。基于反饋控制理論建立了高效的駕駛員操縱量求解方法，無需進行數(shù)值優(yōu)化，大大提高了求解過程的效率和數(shù)值穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于直升機飛行動力學(xué)與飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高效的直升機機動飛行品質(zhì)等級評估方法，可直接應(yīng)用于直升機機動飛行品質(zhì)的評估與設(shè)計。

背景技術(shù)：

直升機具有懸停、垂直起降和低速機動能力，成為不可或缺的重要飛行器。然而，直升機固有的強耦合和不穩(wěn)定性也導(dǎo)致了直升機飛行品質(zhì)較差，操縱困難。這些特性在機動飛行過程中尤為明顯，從而限制了直升機的機動飛行能力，不利于完成各項復(fù)雜飛行任務(wù)。為了解決這個問題，勢必要對直升機的機動飛行品質(zhì)進行優(yōu)化設(shè)計。在機動飛行品質(zhì)設(shè)計的過程中，必須要對所設(shè)計的機動飛行品質(zhì)等級進行評估。進行機動飛行品質(zhì)等級的評估有兩種手段，飛行試驗和數(shù)值模擬。飛行試驗?zāi)軌驅(qū)Ξ?dāng)前試驗樣機的機動飛行品質(zhì)等級進行評估，然而在設(shè)計過程中需要反復(fù)改變設(shè)計參數(shù)，包括直升機的設(shè)計參數(shù)和飛行控制系統(tǒng)的參數(shù)，甚至需要進行數(shù)值優(yōu)化，這樣單靠一架試驗樣機是無法完成機動飛行品質(zhì)的設(shè)計任務(wù)。所以，飛行試驗適合于檢驗最終設(shè)計結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，而不適用于在機動飛行品質(zhì)設(shè)計過程中進行品質(zhì)等級評估，從而數(shù)值模擬方法是直升機機動飛行品質(zhì)設(shè)計過程中進行直升機機動飛行品質(zhì)等級評估的最有效手段。

基于數(shù)值模擬的手段進行直升機機動飛行品質(zhì)等級的評估需要采用一定的數(shù)學(xué)手段將機動飛行科目表示為數(shù)學(xué)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上進行駕駛員操縱時間歷程的求解，然后根據(jù)直升機的飛行過程特性包括軌跡、姿態(tài)、速度等，基于飛行品質(zhì)規(guī)范判定直升機在相應(yīng)機動科目下的飛行品質(zhì)等級。可以看出，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是機動科目的數(shù)學(xué)描述以及駕駛員操縱時間歷程的求解方法。

目前，直升機機動飛行的數(shù)值模擬主要有兩類方法，一種是基于數(shù)值優(yōu)化的逆解技術(shù)，另一種是基于自動控制理論的直接解算技術(shù)。其中，絕大多數(shù)已公布的機動飛行數(shù)值模擬方法是基于第一種技術(shù)，第二種技術(shù)還處于起步階段。逆解技術(shù)對機動科目的數(shù)學(xué)描述主要是通過將飛行軌跡以分段函數(shù)的形式進行表示，而駕駛員操縱量的求解則通過數(shù)值優(yōu)化方法實現(xiàn)。雖然這種技術(shù)已成功應(yīng)用于直升機機動飛行特性分析，但其缺點還是很明顯的。首先，在當(dāng)前直升機領(lǐng)域最先進的飛行品質(zhì)規(guī)范ADS-33E-PRF中定義了23種機動飛行科目，其中大部分科目除了有飛行軌跡要求，還有飛行速度、姿態(tài)的變化要求，此外還有近一半的機動科目并沒有固定的飛行軌跡。所以，這種技術(shù)的數(shù)學(xué)描述方法并不能實現(xiàn)所有機動科目的數(shù)值模擬。其次，基于數(shù)值優(yōu)化的駕駛員操縱量求解不僅效率低下，而且還存在數(shù)值計算不穩(wěn)定問題，有可能得不到最后的優(yōu)化計算結(jié)果。對于第二種技術(shù)，目前雖有初步應(yīng)用，但僅僅局限于個別簡單機動科目，而且還沒有具有統(tǒng)一形式的數(shù)學(xué)描述方法和駕駛員操縱量求解方法。此外，從國內(nèi)外發(fā)表的文獻來看，目前無論是第一種技術(shù)還是第二種技術(shù)，都只能解決開環(huán)模型的機動飛行數(shù)值模擬，無法考慮飛行控制系統(tǒng)的影響，這就直接造成數(shù)值模擬結(jié)果與實際試飛存在一定差異。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前直升機機動飛行品質(zhì)設(shè)計過程中，基于數(shù)值模擬方法進行機動飛行品質(zhì)等級評估的技術(shù)難題，建立一套高效的且具有統(tǒng)一形式的機動科目數(shù)學(xué)描述方法以及駕駛員操縱量求解方法，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)直升機機動飛行品質(zhì)的數(shù)值評估。同時，本發(fā)明還將解決現(xiàn)有技術(shù)無法在直升機機動飛行數(shù)值求解中考慮飛行控制系統(tǒng)影響的缺陷。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種高效的直升機機動飛行品質(zhì)等級評估方法，包括如下步驟：

第一步，針對對象直升機進行飛行動力學(xué)模型初始化，通過讀取模型參數(shù)文件完成非線性飛行動力學(xué)模型的加載，得到非線性飛行動力學(xué)模型；