可变体飞行器变形与飞行的协调控制研究

可变体飞行器的变形结构具有改善气动性能和操纵飞行器的双重功能。综合优化变形结构改善气动性能和操纵飞行器的双重作用，可以减少飞行器控制能量，并获得更高的控制性能。现有的可变体飞行器飞行控制研究中，很少综合考虑了变形结构改善气动性能和操纵飞行器的双重作用。本项目研究可变体飞行器在受控变形过程中的变形与飞行的协调控制问题：研究可变体飞行器的多体系统建模与简化；综合考虑可变体飞行器的变形结构的增升与增稳功能，研究可变体飞行器变形与飞行的协调控制方法，使得可变体飞行器以较小的控制能量，通过变形结构，同时改善气动性能和增强飞行器稳定性；制作可变体飞行器半物理仿真平台，初步验证所设计的控制算法。

随着人类对飞行器性能的不断追求，特别是希望通过单一飞行器执行多种任务，传统的固定结构飞机已很难满足这样的需求，可变体飞行器的概念因此应运而生。变体飞行器根据飞行环境的变化和飞行任务的需求，能够在飞行中相应地改变外形以改善空气动力学特性，优化飞行性能，从而保持最佳的飞行状态，满足在变化的飞行环境中适应多种任务的要求。欧美国家对于变体飞行器已经进行了多年的探索试验，取得了不少技术成果。我国近些年来也开展了这方面的研究，并获得了国家自然科学基金等项目的大力资助。.本课题首先进行了几种典型变体飞行器的气动仿真分析与动力学建模。通过DATCOM和CFD Fluent软件仿真分析了几种典型变体飞行器的气动特性，使用MATLAB工具拟合计算，建立气动参数与结构变形之间的函数关系，进一步构建出包含变形参量的变体飞行器非线性动力学模型。基于雅可比线性化理论，建立了变体飞行器的线性变参数模型，分析了变形对飞行器特征的本质影响。.然后，研究了变体飞行器变形过程的鲁棒稳定飞行控制。针对变翼展飞行器，设计了鲁棒增益调度理论，研究了飞行器机翼伸缩变形过程的稳定飞行控制。针对变弯度飞行器，设计了鲁棒最优控制器，研究了翼型弯度变化时的稳定飞行控制。通过MATLAB仿真分析了飞行器在飞行中变形的鲁棒稳定效果，确保变形过程的顺利完成。接着，研究了大气扰动条件下的变体飞行器稳定飞行控制。通过分析风扰动对飞行器的作用模型，建立了变体飞行器在大气扰动环境中的动力学方程，设计了改进的鲁棒增益调度控制方法，仿真分析了大气扰动对飞行器变形过程的影响，完善了变形与飞行的协调控制研究。.进一步，探索研究了变体飞行器利用变形辅助提高飞行性能的可能性。以伸缩翼变体飞行器为对象，将机翼伸缩视为主动操纵方式，辅助配合常规操纵，建立了变体飞行器主动变形的非线性动力学模型。设计了一种新的动态滑模控制方法，实现了利用变形辅助操纵的全局稳定控制，并抑制了外部扰动的影响，更好地完成了目标航迹跟踪。.最后，设计、研制了变体飞行器变形与飞行协调控制的半物理仿真演示平台。平台由变形翼模拟机柜、智能舵机节点、分布式网络模块和上位机单元四个部分组成，并开发了智能舵机通信控制程序、上位机协调控制程序等软件。通过一系列MATLAB仿真和演示实验，验证了变体飞行器协调控制系统的有效性，为后续的深入研究提供了支撑平台。