【最新录用】编委胡汉东研究员团队:无人机/载机近距飞行气动稳定性及位置控制研究

文摘科技 2024-11-15 10:05 陕西

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无人机/载机近距飞行气动稳定性及位置控制研究

文章亮点：无人机空中回收、密集编队飞行和空中加油都涉及飞行器在近距干扰流场中的飞行稳定性和位置控制问题。针对无人机横向近距飞行回收/放飞的应用背景，采用干扰气动导数模型，建立近距干扰流场中飞行器的纵向小扰动运动方程，根据飞行器位置稳定性要求，提出采用单独舵面偏转模拟回复力实现无人机纵向位置稳定的方法。在此基础上，结合典型飞行器数据，采用状态空间分析方法，建立代价函数，完成俯仰舵偏和变推力最优控制设计和仿真，初步验证了无人机纵向近距稳定飞行控制的可行性。

研究背景：飞行器近距飞行是指飞行器在彼此靠近的情况下飞行，常见的近距飞行有三种情况：多体干扰与分离、飞行器密集编队飞行、飞行器空中放飞和回收。

当飞行器密集编队飞行和空中回收时，飞行器必须进入到非常靠近彼此的距离范围内，并保持较长的飞行时间，因此，需要开展飞行器在复杂干扰流场中的稳定特性和控制技术研究，确保飞行安全。

近距飞行的稳定性要求与自由空间飞行不同，飞行器在保持姿态稳定的同时，还有很高的位置稳定性要求，即飞行器受到的外界扰动消失后，不仅要回到原有的飞行姿态，还要回到扰动前的相对位置。

绝大多数飞行器在自由空间飞行时的姿态稳定性可以通过飞行器气动设计实现，但是气动设计很难满足位置稳定要求，一般都采用偏转舵面进行反馈控制，实现高度和侧向位置稳定。在需要满足纵向（流向）位置稳定性要求时，飞行器大多是引入发动机推力控制。例如在飞行器空中加油时，加油机和受油机间要保持位置的相对稳定，受油机通过调节发动机油门与加油机保持相同的速度，保证纵向位置的稳定性。

目前，对于飞行器横向近距稳定飞行的情况，还没有系统性研究，缺乏相应的参考文献。初步研究表明，通过满足稳定性判据的气动设计，飞行器可以实现横向近距飞行时的法向距离稳定性，但是难以实现纵向位置的稳定性要求，因此，进一步探索舵面偏转和推力控制方法对位置稳定性控制的影响，是保障实现横向近距飞行可行性的重要基础。

研究结论与展望：1）本文采用气动导数模型建立了刚体飞行器纵向飞行动力学方程，可用于干扰流场中无人机纵向平面内稳定性分析。

2）由于干扰流场的特点，无人机在流向缺乏必要的气动力/力矩回复机制，无法实现流向位移的稳定性。采用偏转升降舵，改变无人机姿态，从而改变气动力作用方向，模拟无人机需要的流向位移回复机制，可以实现无人机的流向位置稳定性。

3）给定合适的代价函数，采用状态空间分析方法，可以实现无人机纵向稳定性的最优反馈控制设计。通过优化设计的舵面偏转控制，不仅可以增强已有稳定系统的稳定性，还可以对不稳定系统实现稳定控制，显著减小运动幅值、缩短稳定时间。

4）增加推力控制，对无人机与载机横向位置稳定影响较小，但是对无人机流向位置稳定作用明显。同时采用舵面偏转和推力控制时，反馈控制效果比各自单独使用时效果好。

人类航空百年历史中，一直追求实现多个飞行器在空中自由的放飞和对接，目前距离该目标还有相当大的差距。为了在高速干扰流场中实现安全可靠的近距飞行，有必要建立可以精准、快速改变飞行器受力的手段，为此还需要进一步开展干扰流场分析、主动流动控制、最优路径设计等多项技术对近距可控稳定飞行的影响研究。

引用格式：胡汉东,汪文凯,江雄,等.无人机/载机近距飞行气动稳定性及位置控制研究[J/OL].航空工程进展,1-11[2024-10-08]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1479.V.20240930.1116.008.html.

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