倾转四旋翼飞行器操纵策略

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30165

流体力学与飞行力学

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倾转四旋翼飞行器操纵策略

周攀¹, 陈仁良², 杨柠檬¹, 聂博文¹, 李国强¹()

^1.中国空气动力研究与发展中心空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室，绵阳 621000
^2.南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016

收稿日期:2024-01-16 修回日期:2024-03-12 接受日期:2024-05-10 出版日期:2024-11-25 发布日期:2024-06-03
通讯作者: 李国强 E-mail:cardc1s@163.com;cardcls@163.com
基金资助:
国家级项目

Control strategy for quad-tiltrotor aircraft

Pan ZHOU¹, Renliang CHEN², Ningmeng YANG¹, Bowen NIE¹, Guoqiang LI¹()

^1.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.National Key Laboratory of Helicopter Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-01-16 Revised:2024-03-12 Accepted:2024-05-10 Online:2024-11-25 Published:2024-06-03
Contact: Guoqiang LI E-mail:cardc1s@163.com;cardcls@163.com
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

倾转四旋翼飞行器由四副可以倾转的旋翼/机翼组成，各旋翼/机翼之间存在复杂的气动干扰，面临严重的操纵冗余问题。为优化倾转四旋翼飞行器的操纵策略，发展了全飞行模式的旋翼/旋翼和旋翼/机翼气动干扰模型，进一步建立了高阶非线性飞行动力学模型。在此基础上，提出了基于操纵量权重系数的倾转四旋翼飞行器复合操纵策略配置方法，开展了各复合操纵量对飞行力学特性影响的敏感性分析，得到了不同飞行模式下的操纵策略。对倾转四旋翼飞行器试验样机的仿真计算结果表明：纵向周期变距系数的增加在3种飞行模式下都可以降低旋翼需用功率以及减小俯仰姿态，应占主导作用；横向周期变距联动系数在直升机模式下需逐步减小以优化航向操纵导数，在倾转过渡和飞机模式下减小至0；左、右旋翼总距差动可以增加飞机模式的航向操纵导数，但会导致横向耦合，应尽可能小；交叉旋翼总距差动系数不仅不能改变航向操纵导数，还导致横向耦合，应尽可能不用；前、后旋翼横向周期变距差动系数能够大幅减小航向操纵导致的横向耦合，在3种飞行模式下都应占主导作用。

关键词: 倾转四旋翼飞行器, 气动干扰, 飞行动力学模型, 复合操纵, 操纵策略

Abstract:

The multi-rotors and multi-wings configuration of the Quad-TiltRotor （QTR） leads to complicated aerodynamic interference between each component， while occupying redundant control inputs. A model considering aerodynamic rotor-rotor and rotor-wing interference is developed， which is applicable to multiple flight modes of the quad-tiltrotor aircraft. A nonlinear flight dynamics model with a high degree of confidence across the flight range is established. A control strategy configuration method is proposed by introducing the control weight coefficient to solve the redundant control problem. Then， the sensitivity to flight dynamics characteristics of each compound control is analyzed. The simulation results show that the required rotor power and pitch attitude will reduce as the combined longitudinal cyclic pitch increases. A suitable weight coefficient of combined lateral cyclic pitch is necessary to balance the too small control derivative and too large heading coupling derivative. The heading control derivative can increase by using the weight coefficient of left-right rotors collective differential in the fixed-wing mode， but unnecessary lateral coupling will be brought in. The weight of the cross rotor collective differential should be reduced in the helicopter mode and increase in the conversion mode. The increase of the weight coefficient of front-rear rotors lateral cyclic differential can decrease dramatically the lateral coupling caused by heading control.

Key words: quad-tiltrotor aircraft, aerodynamic interaction, flight dynamics model, compound control, control strategy

中图分类号:

V212.4

周攀, 陈仁良, 杨柠檬, 聂博文, 李国强. 倾转四旋翼飞行器操纵策略[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 130165.

Pan ZHOU, Renliang CHEN, Ningmeng YANG, Bowen NIE, Guoqiang LI. Control strategy for quad-tiltrotor aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(22): 130165.

图/表 21

图1

表 1

表 2

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

表 3

表 4

表 5

各复合操纵量权重系数

操纵量	权重系数
横向周期变距联动	$ξ l a t, h$
直升机模式中左、右旋翼总距差动	$1 - ξ l a t, h$
纵向周期变距联动	$ξ l o n, h$
前、后旋翼总距差动	$1 - ξ l o n, h$
交叉旋翼总距差动	$ξ p e d, h 1$
前、后旋翼横向周期变距差动	$ξ p e d, h 2$
左、右旋翼纵向周期变距差动	$1 - ξ p e d, h 1 - ξ p e d, h 2$
飞机模式中左、右旋翼总距差动	$ξ p e d, a$
方向舵偏转	$1 - ξ p e d, a$

表 5

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

参考文献 24

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值	参数	数值
全机质量/kg	60	旋翼实度	0.093 8
旋翼转速/（r·min^-1）	2 100	机翼平均弦长/m	0.3
旋翼桨叶数量/片	3	前后机翼间距/m	1.2
旋翼半径/m	0.58	前后机翼高度差/m	0.116
桨叶特征弦长/m	0.057	机身长/m	2.5
单片桨叶质量/kg	0.125	机身宽/m	0.36
前机翼展长/m	1.6	机身高/m	0.38
后机翼展长/m	2.2	平尾参考面积/m²	0.09

通道	操纵方式
俯仰通道	后机翼襟副翼联动（类似升降舵）
滚转通道	前机翼襟副翼差动（类似副翼）
前向通道	旋翼总距联动
偏航通道	方向舵偏转	左、右旋翼总距差动

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旋翼编号	干扰类型
旋翼编号	1	2	3	4
1		横向	交叉	纵向
2	横向		纵向	交叉
3	交叉	纵向		横向
4	纵向	交叉	横向

通道	操纵方式
垂向通道	总距联动
滚转通道	横向周期变距联动	左、右旋翼总距差动
俯仰通道	纵向周期变距联动	前、后旋翼总距差动
偏航通道	左、右旋翼纵向周期变距差动	交叉旋翼总距差动	横向周期变距差动