空中机器人可变飞行模式控制原理与方法研究

Unmanned tilt-rotor aircraft is a special kind of an aerial robot with variable modes, has distinctly unique advantages that are hovering at low speed and high speed flying, which has a bright future in the military and civilian fields. Tilt-rotor aircraft conversion flight achieve switching between different flight modes, has complex of aerodynamic characteristics and redundant steering rudder, with a typical nonlinear strongly coupled, multi-modal complex process of conversion, to be very difficult to autonomous flight controller design. With a multi-object nonlinear control method, the project will has effective manipulation allocation strategy to tackle the problem of manipulation of redundancy. Secondly, the attitude loop controller of nonlinear dynamic inversion ensures good control performance, which compensates inverse model error by adaptive neural network. Finally, the project will complete avionics system to achieve the flight test, to verify the performance allocation strategy and controller, which provide new ideas and technical approaches for the study of special aerial robot.

无人倾转旋翼飞行器是一种特殊的可变飞行模式的空中机器人，具有低速悬停又有高速前飞独特优势，军用和民用领域内均具有广阔的发展前景。倾转旋翼飞行器倾转过渡飞行实现不同飞行模式的切换，气动特性变化复杂且舵面操纵冗余，具有典型非线性强耦合、多模态变化的复杂过程，给自主飞行控制器设计带来了很大难度。本项目采用多目标非线性规划方法，可获得行之有效的舵面操纵分配策略，解决操纵冗余问题。其次，设计非线性动态逆姿态回路控制器，运用自适应神经网络在线补偿模型逆误差，保障不同飞行模式下都具有良好的控制性能。最后，完成航电系统实现外场空中试飞，验证分配策略和控制器的性能，为我国特种空中机器人研究提供新的思路和技术途径。

本项目无人倾转旋翼飞行器利用旋翼倾转实现直升机飞行模式和飞机飞行模式之间的动态转换，改变了传统的直升机与飞机二类飞行器不能转换的设计思想，实现了单一飞行器既能空中悬停、低速前飞、后飞、侧飞，又能高速远距离飞行，融合了直升机和飞机的优点，展现出广阔的应用前景。旋翼倾转给飞行器带来诸多好处同时，不可避免地提高了设计技术难度，尤其是旋翼拉力矢量变化、旋翼/机翼间气动干扰使飞行器的飞行动力学问题更加复杂，给倾转旋翼飞行器的飞行控制系统设计带来了极大的挑战。本项目资助针对倾转旋翼飞行器的飞行控制关键技术进行了深入研究，提出了一整套技术解决方案，解决了无人机倾转旋翼飞行器原型样机设计、模型特性分析、过渡模式操纵分配策略制定、飞行控制系统设计与仿真、机载航电系统设计与实现、飞行任务规划与试飞验证等技术难题。.本项目针对无人倾转旋翼飞行器的控制关键技术开展了深入研究：完成了该布局飞行器飞行动力学建模工作，开展了实际试飞与仿真验证，使模型具有较高的精度与参考价值。其次，对项目中的样机进行控制律设计，控制律采用神经网络动态逆自适应控制算法，经过半物理仿真，该算法能较好的解决无人倾转飞行器的强控制耦合、系统不确定性等控制问题。然后，研究了基于视觉的无人飞行器空间位置姿态估计算法，引入基于非线性尺度空间的特征算子改进位姿估计算法，提高飞行器在有较大机动和振动等工况下的位姿估计精度。研究了基于H∞滤波的视觉/惯导组合导航算法，提高视觉/惯导组合导航的精度与鲁棒性。完成了机载嵌入式飞行控制系统、嵌入式视觉/惯导组合导航系统及地面通信系统的设计。.在本项目支持下，目前已在国内外刊物或者国际会议论文8篇，专利2个，培养研究生3名。