[發明專利]一種多旋翼機的飛行品質建模校核方法

有效

• 申請號: 202011209706.0
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112464359B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 辛冀;董圣華;劉衍濤;劉毅
• 申請（專利權）人: 中國直升機設計研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F119/14
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 王世磊

1.一種多旋翼機的飛行品質建模校核方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，建立多旋翼機質心的線運動動力學方程和繞質心轉動動力學方程，具體為：

定義機體坐標系(X，Y，Z)，X軸指向多旋翼機前飛方向，Z軸垂直機體平面向上，Y軸則根據右手法則確定，機體坐標系的原點取在機體重心位置；

多旋翼機質心的線運動動力學方程和繞質心轉動動力學方程分別為：

其中，I_3×3為單位矩陣，Ω_3×1＝[p，q，r]^T是機體坐標系中繞3個軸的轉動角速度，V_3×1＝[u，v，w]^T是機體坐標系中3個軸方向上的線速度，F_3×1向量表示多旋翼機受到的合力，由旋翼的拉力T_r、重力W、機身的升力T_f、阻力D_f和側向力L_f組成，J_3×3是全機相對于質心的轉動慣量矩陣，M_3×1是外力對機身質心的3個方向合力矩，包括機身氣動力矩、旋翼拉力對質心形成的力矩、旋翼氣動反扭矩Q、旋翼轉速改變產生的慣性反扭矩，以及旋翼隨機身轉動而產生的陀螺力矩；

變量上加點表示求該變量對時間的一階導數；

S2，建立三個姿態角的運動學方程，根據多旋翼機線運動動力學方程、繞質心轉動動力學方程、三個姿態角的運動學方程，得到關于多旋翼機九個運動狀態量的飛行動力學微分方程組；

S3，對飛行動力學微分方程組進行配平，得到平衡狀態，具體為：

采用廣義逆矩陣法求解N個旋翼拉力的最小范數解，假設全機配平中對N副旋翼產生的合拉力和N副旋翼產生的對全機質心三個方向合力矩分別為T_r、M_rφ、M_rθ、M_rψ，則N副旋翼的拉力與全機合力之間的關系滿足下式：

其中，ψ表示多旋翼機的偏航角，θ表示多旋翼機的俯仰角，φ表示多旋翼機的滾轉角，T₁到T_N為N副旋翼的拉力，l為每副旋翼中心到無人機重心的距離，P_Q/P_T是當前狀態下的旋翼反扭矩和拉力比；

以偽逆矩陣方法求解上式的最小范數解，將上式中的右側系數矩陣表示為A_rotor，則平衡狀態下采用偽逆矩陣法求解公式中的旋翼拉力：

S4，在平衡狀態下對所述飛行動力學微分方程組進行小擾動線化，并對多旋翼機的飛行品質指標進行校核。

2.根據權利要求1所述的一種多旋翼機的飛行品質建模校核方法，其特征在于，旋翼的拉力T_r和旋翼氣動反扭矩Q的得到過程為：

旋翼槳葉旋轉中逸出的尾跡渦流場進行時間和空間離散，得到時間和空間離散的尾跡渦流場；

采用時間步進計算格式計算尾跡渦流場的運動過程，并得到尾跡渦流場的穩定結構；

根據尾跡渦流場的穩定結構下的參數計算旋翼的拉力T_r和旋翼氣動反扭矩Q。

3.根據權利要求2所述的一種多旋翼機的飛行品質建模校核方法，其特征在于，時間步進計算格式具體為：

其中，r表示尾跡渦線上每一離散節點處的位置矢量，u表示離散節點處的速度矢量，下標l、k表示離散計算中時間和空間的離散編號，Ω是旋翼旋轉角速度，Δψ表示旋翼旋轉方位角的空間離散步長。

4.根據權利要求3所述的一種多旋翼機的飛行品質建模校核方法，其特征在于，根據尾跡渦流場的穩定結構下的參數計算旋翼的拉力T_r和旋翼氣動反扭矩Q，具體為：

其中，nb表示槳葉片數，nseg是每片槳葉離散分段數，ΔL是每個槳葉離散段受到的升力，ΔD是每個槳葉離散段受到的阻力，Δm是每個槳葉離散段的質量，β是槳葉揮舞角，β^*是每個槳葉離散段處的入流角，是每個槳葉離散段到槳轂中心的距離，Ω是旋翼旋轉角速度。