高空长航时无人直升机保性能飞行控制与旋翼转速优化策略研究

The research is focused on improving high-altitude,long- endurance unmanned helicopter (HALE UH) performance by dual optimization of flight control and rotor speed in the expand flight envelop. Considering difficult problems on flight control design derived from expand flight envelop characterized by high dimensionality and broad range of parameters, and complexity of dynamics model, the method of dividing the expand flight envelop into minimum number of equal performance bodies by heuristic combinatorial optimization algorithm is proposed after studying the robust guaranteed cost flight control design in the maximum neighborhood of the given trimming point. Considering the calculation error of model and flight trimming, the strict guaranteed cost flight control method in equal performance body as well as across equal performance bodies is put forward. Considering the complex influence factors of optimizing rotor speed and the difficulties in obtaining resolvable model of the optimization performance index, the algorithm that combines the stochastic approximation with heuristic method to optimize the rotor speed is proposed. The guaranteed cost flight control and rotor optimization strategy of HALE UH is formed an integrated system. The simulation platform is provided to verify the related study content through experiment and simulation. The research can afford the theoretical and experimental proof for studying HALE UH.

本项目以高空长航时无人直升机（HALE UH）为研究对象，通过在拓展飞行包线上实现保性能飞行控制与旋翼转速并行优化，提升其高空长航时飞行性能。考虑HALE UH拓展飞行包线具有维数高，以及高度等参数变化范围大的特点，通过研究给定配平点及其最大邻域的鲁棒保性能控制器设计，引入等性能体新概念，提出将拓展飞行包线划分为最少等性能体的方法，并从概率意义上确保HALE UH飞行尽可能集中于少数等性能体上。考虑模型和配平量计算误差等影响因素，提出等性能体上和跨等性能体的保性能飞行控制方法。考虑影响旋翼转速优化因素复杂且优化性能指标难以解析表达的问题，通过研究HALE UH旋翼转速优化的可行策略，提出随机逼近与启发式学习综合的旋翼转速优化算法。从而建立体系完整的HALE UH保性能飞行控制和旋翼转速优化方法。最后，通过建立仿真平台对所提出的方法进行验证。为研究HALE UH提供相关控制理论和实验依据。

高空长航时无人直升机（HALE UH）不仅具有常规无人直升机的垂直起降和空中悬停等独特飞行能力，还具有可达6000米以上升限和8小时以上续航飞行优势，是未来一种技术含量高、使用性能好、发展前景广阔的先进飞行器。本研究利用实验室已有的HALE UH的直升机/发动机综合模型以及相关的配平量计算和发动力综合控制组件，立足于以控制优化HALE UH性能，在保性能飞行控制基础上，实现变旋翼转速并行优化，提升了HALE UH高空长航时飞行性能。. 首先，以平台现有的由刚性变转速旋翼、机身、尾桨和涡轴发动机等关键部件模型构建的HALE UH直升机/发动机综合模型作为研究对象的数学模型，将综合模型中发动机部分用旋翼转速输入量替代，建立了HALE UH在拓展飞行包线上的全量非线性飞行动力学模型。其次，对模型在给定配平点，设计鲁棒保性能控制器，使包含该点的最大邻域内的实际对象均能满足飞行性能要求，并从保性能控制角度将该区域定义为等性能体，提出了将拓展飞行包线划分为最少等性能体的方法。并在此基础上，进一步提出了等性能体上及跨等性能体的保性能飞行控制方法，使HALE UH在高度和旋翼转速等参数变化范围大的拓展飞行包线上均能满足飞行性能要求。最后，根据稳定飞行约束条件以及保性能飞行控制中理想性能模型的跟踪误差引入相应的惩罚项，在设定的飞行状态下，在每个旋翼转速主优化求解步内，并通过变导叶角优化发动机直至性能指标收敛，实现主辅两级迭代优化，同时在保证安全飞行的条件下降低了旋翼转速优化对保性能飞行控制的影响。. 本设计实现了变旋翼转速并行优化，提升HALE UH 高空长航时飞行性能，对在指定目标区持久执行高空凝视和巡视、在战场侦察、边境线和领海监视、国土勘察、灾害评估等领域具有广泛的用途，因此具有很高的民用与军事价值。