直升机 王李张

直升机控制系统建模与仿真王家林1402028李贤慧1402057张天娇1402054直升机控制系统建模与仿真直升机结构数学模型控制系统设计系统仿真总结直升机结构

直升机作为一种特殊飞行器与普通飞机相比，直升机没有产生升力的机翼和专供操纵的舵面，它的旋翼不仅起升力面和拉进式螺旋桨的作用，而且还起普通飞机舵面操纵机构的作用。由于直升机特殊的结构，具有以下飞行特点：直升机可以垂直起飞、垂直着陆和垂直飞行直升机能够悬停在空中直升机可以向前、后、左、右的任一方向飞行直升机结构直升机一般由八大部分组成：主旋翼：提供无人机飞行所需的升力自动倾斜器：改变主旋翼总距和周期变距副翼：保持稳定性平尾：纵向配平和保持稳定性垂尾：航向配平和保持稳定性尾桨：提供偏航力矩起落架机身直升机结构桨叶旋转时由于它的特殊结构，通过与空气的相对运动会产生向上的升力。①桨叶前段曲面的半径②桨叶厚度③中弧线和几何弦线的最大偏移量④中弧线⑤几何弦线⑥弦长直升机旋翼结构图桨叶剖面图数学模型在直升机的建模过程中考虑了以下几个因素：忽略弹性振动和形变，直升机的运动可以看成是六自由度的刚体运动绕三个轴的转动（滚转、俯仰和偏航）重心沿三轴的线运动（进退、升降和左右侧飞）反映角运动的量：三个角位移、三个角速度、三个角加速度反映重心线运动的量：三个线位移、三个线速度和三个线加速度选择适当的坐标系直升机的运动耦合比较严重，但在小扰动的前提下，可以近似认为纵横侧向运动互相独立，以便对直升机分别进行纵向和横侧向的控制律分析设计数学模型在建立直升机小扰动运动方程时还作了如下的假设：除表征参考飞行速度v之外，在没有角速度和线速度时，参考飞行状态是平衡的相对不平衡量而言，平衡力的导数项可忽略不计旋翼翼尖速度恒定略去气体可压缩性的影响和旋翼失速的影响模型搭建流程环节：

通过熟悉直升机的组成结构，对各个部件的受力情况和力矩进行详细分析，得到刚体动力学方程和运动学方程，建立起直升机的数学模型，为后续的研究工作奠定了基础。数学模型地面坐标系该坐标系与地球固连，坐标原点在地面或海平面上的某定点一般取在直并机起飞前所处的位置上；竖轴沿铅垂线，向下为正纵轴过原点，与直升机航迹切线一致，指向飞行方向为正；横轴过原点与平面相垂直，指向应飞航线的右方为正这样,坐标表示偏航距离，表示飞行高度地面坐标系数学模型机体坐标系纵轴：机尾指向机头横轴：与平面垂直，方向由右手定则决定轴：与桨毂轴平行，向下为正地面坐标系与机体坐标系之间的变换矩阵可通过直升机相对于地面的姿态角（俯仰角,滚转角和偏航角）来表示,即数学模型气流坐标系坐标原点：直升机重心轴：沿飞行速度矢量指向前方为正轴：机体对称平面内，垂直于，向下为正用气动迎角和气动侧滑角显示的关系，气流坐标系到机体坐标系之间的变换矩阵为：数学模型桨毂机体坐标系平面称为桨毂平面，采用桨毂纵向倾角和桨毂横向倾角表示 的关系坐标原点：桨毂中心轴在沿旋翼旋转轴上，向下为正轴在机体对称平面内并与轴垂直，指向前方为正机体坐标系到桨毂机体坐标系之间的变换矩阵为：数学模型受力分析直升机的受力及力矩数学模型对于直升机机身来说，主要考虑其所受的阻力（基于机体坐标系），该三分量可以由如下公式表示：根据直升机各部分的受力及力矩可以得出作用在无人直升机的合外力、合力矩：数学模型直升机的6自由度刚体动力学方程

把直升机看成是一个拥有6自由度的刚体，通过牛顿-欧拉方程计算出其刚体动力学方程。牛顿-欧拉方程如下：其中：为小型无人机在机体坐标系中的惯性张量。数学模型将上式展开可以得到直升机的刚体动力学方程姿态角与角速度之间的关系如下：数学模型直升机的运动学方程数学模型直升机数学模型

综上所述，本文建立了包含12个状态量和4个控制量的小型无人直升机飞行动力学非线性数学模型，表示为：数学模型控制系统设计系统仿真参考文献吴文海,沈春林,刘国刚.飞行控制系统设计的特征结构配置法.哈尔滨工业大学学报.2002,34(5):639-642郑大钟.线性系统理论.清华大学出版社,2002周涛.微小型无人直升机简化模型及控制系统研究.浙江大学硕士学位论文.2006戴维康.面向直升机飞行的仿真视景原型研究与实现.南京航空航天大学硕士学位论文.2006申俊飞.基于特征结构配置的直升机控制增稳系统设计.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006于志,赵佳,申功璋.直升机飞行动力学建模及可视化研究.计算机仿真.2006,23(12),49-52郑峰婴,杨一栋.控制阵解耦的直升机显模型跟踪飞控系统设计.海军航空工程学院学报.2007,22(1):119-124SpanoudakisP,TsourveloudisNC,ValavanisKP.DesignspecificationsforanunmannedVTO.Proceedingsofthe2004IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.2004.Ferreres,Gilles,Flightcontrollawdesignforaflexibleaircraft:Limitsofperformance，JournalofGuidance,ControlandDynamics,2006,29(4):870~878.GarethD.Padfield.HelicopterFlightDynamics:TheTheoryandAp