【技术实现步骤摘要】
本申请涉及飞行器轨迹优化与控制算法，特别是涉及一种倾转旋翼飞行器轨迹优化方法、装置、设备及介质。
技术介绍
1、垂直起降飞行器具备直升机垂直起降与固定翼飞机高速巡航的优点，能够在山地、舰艇等复杂地形进行起降，且其运输成本比常规直升机和固定翼飞机更低，因此备受各界关注，在航空侦察、物资运输等多个领域都有着广阔的应用前景。
2、目前垂直起降飞行器按照飞行模式转换方式主要分为标准复合型、尾座式以及倾转旋翼式。其中，标准复合型相对容易控制，但是单独的悬停/前向飞行推进系统增加了额外的重量，降低了整个动力系统的效率。尾座式无需额外的动力和倾转机构（倾转角度），具有最小的执行器单元组，但由于机身需要整体倾转导致它们在模式转换过程中具有较大不确定性，而且在悬停和倾转过程中风对其影响较大。对于倾转旋翼，由于有更多的控制权限，其在模式转换时的控制裕度更大，而且悬停时比尾座旋翼更容易控制，但额外的倾转机构增加了飞机的控制维度，提高了整体系统尤其在模式转换过程中控制的复杂性。
3、目前倾转旋翼飞行器设计的重大挑战之一是制定合适的过渡控制轨迹，以保证飞机在各种条件下安全高效的飞行操作。这一方面需要研究合适的倾转机构倾斜角随前向速度变化的控制策略，即研究倾转旋翼飞行器动态飞行可行域，因为在过渡飞行过程中，由于推进系统的倾斜方向以及部分倾转机翼的攻角变化导致飞机的飞行速度、升阻力和前垂直向的推力发生变化，这些因素之间的平衡可能会随着推进倾转角变化而被破坏，导致高度快速下降或无法达到所需速度。另一方面由于倾转过渡可行域一般只包含各个配
4、然而，目前倾转旋翼飞行器动态飞行可行域计算一般以配平计算为主，主要考虑飞行器纵向的水平力、垂向力以及俯仰力矩的平衡，并未考虑倾转旋翼飞行器过渡过程飞行速度及受力动态变化的问题。
5、现有倾转旋翼飞行器过渡过程轨迹设计方法主要是基于指标最优的过渡过程轨迹设计。基于指标最优的过渡过程轨迹设计目的明确，但对所得轨迹的安全裕度（即保证飞行器有一定的操纵裕量来应对未知扰动）考虑不够充分。并且倾转旋翼飞行器过渡过程中一个关键问题是后向过渡飞行速度的快速减小，目前绝大数倾转旋翼飞行器后向过渡的飞行动能仅仅依靠气动阻力和重力的分量进行削减，导致后向过渡耗时增加同时危险系数增大，无法保证倾转旋翼飞行器过渡的安全性。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种倾转旋翼飞行器轨迹优化方法、装置、设备及介质，能够在计算倾转旋翼飞行器动态飞行可行域时考虑倾转旋翼飞行器过渡过程飞行速度及受力动态变化，提高动态飞行可行域计算的准确性，并在倾转旋翼飞行器过渡过程轨迹优化设计的过程中，考虑轨迹的安全裕度与倾转机构反向倾转的动能削减效应，以获得满足高安全裕度、较小控制输入和较短后向过渡时间的轨迹，进而提高倾转旋翼飞行器过渡的安全性。
2、一种倾转旋翼飞行器轨迹优化方法，所述方法包括：
3、步骤1，建立分布式动力的倾转旋翼飞行器的力和力矩的飞行方程，制定倾转旋翼飞行器的前向过渡以及后向过渡的飞行准则，并通过求解多目标约束下的动态飞行可行域状态点，构建倾转旋翼飞行器过渡过程的动态飞行可行域；
4、步骤2，在动态飞行可行域内，建立以飞行速度为自变量以倾转角为因变量的宽裕度可行参考线，并构建倾转旋翼飞行器的纵向运动模型；
5、步骤3，定义结合宽裕度可行参考线和性能需求的过渡过程轨迹优化的目标函数，将倾转旋翼飞行器的前向过渡与后向过渡的最优轨迹问题转化为一个包含步骤2所定义的优化目标的非线性动态最优控制问题，并明确倾转旋翼飞行器的作动器范围约束及系统性能约束；其中，优化目标为确保倾转旋翼飞行器过渡过程的轨迹远离动态飞行可行域边界区域，同时使得过渡过程时间与高度变化尽可能小；
6、步骤4，赋予倾转旋翼飞行器的初始状态，将步骤3得到的非线性动态最优控制问题转化为bolza型最优控制问题，求解满足飞行准则的纵向运动模型和满足步骤3的作动器范围约束和系统性能约束的理想控制变量来最小化目标函数。
7、在其中一个实施例中，建立分布式动力的倾转旋翼飞行器的力和力矩的飞行方程，包括：
8、分布式动力的倾转旋翼飞行器在纵向配平时的俯仰角速度和飞行加速度均为零，且作用在倾转旋翼飞行器上的力和力矩均被抵消，基于此建立的飞行方程表示为
9、；
10、其中，为机体坐标系下轴所受合力，为机体坐标系下轴所受合力，为俯仰通道合力矩，为飞行器质量，为重力加速度，为机体坐标系下轴所受的气动力，为螺旋桨在机体坐标系下产生的拉力，下标 i表示螺旋桨编号，为机体坐标系下轴所受的气动力，为螺旋桨推力在俯仰方向产生的力矩，为气动力在俯仰方向产生的力矩；
11、对于倾转旋翼飞行器，飞行方程中涉及到六个自变量，即：倾转角、飞行速度 v、俯仰角、迎角、升降舵面偏转角、倾转螺旋桨转速（对应1~2号桨转速）和固定螺旋桨转速（对应3~6号桨转速）；在求解动态飞行可行域时，和 v的值将被指定；
12、在指定的和 v下，为计算满足飞行方程的解析解，进一步采用数值方法进行配平，得到简化后的飞行方程，表示为
13、。
14、在其中一个实施例中，制定倾转旋翼飞行器的前向过渡以及后向过渡的飞行准则，包括：
15、定义前向过渡的飞行准则，包括：(1)加速：飞行器水平飞行速度逐渐增加；(2)俯仰姿态限制：飞行器俯仰角发生变化，且俯仰角变化速率位于一定范围内；(3)垂向运动限制：飞行器高度小幅度变化，且飞行器垂向加速度保持在一定范围内；(4)动力限制：在过渡过程中，飞行器同侧挂架上电机拉力差值保持在一定范围内；
16、结合倾转旋翼飞行器所受的力和力矩，得到前向过渡的飞行准则的数学表达式为
17、；
18、其中，上标 f表示前向过渡过程，、和分别表示前向过渡过程中的飞行器水平向受力、飞行器竖直向受力和飞行器竖直向速度，为的最大值，为的最大值，为前向过渡俯仰方向的角速度，为机体坐标系下轴方向的速度，为机体坐标系下轴方向的速度，、、和分别表示3至6号电机的推力系数，、、和分别表示3至6号电机的转速，为同侧挂架推力差的限制值；
19、定义后向过渡的飞行准则，包括：(1)减速：飞行器水平飞行速度逐渐减小；(2)俯仰姿态限制：飞行器俯仰角发生变化，且俯仰角变化速率位于一定范围内；(3)垂向运动限制：飞行器高度小幅度变化，且飞行器垂向加速度保持在一定范围内；(4)动力限制：在过渡过程中，飞行器同侧挂架上电机拉力差值本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种倾转旋翼飞行器轨迹优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立分布式动力的倾转旋翼飞行器的力和力矩的飞行方程，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制定倾转旋翼飞行器的前向过渡以及后向过渡的飞行准则，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过求解多目标约束下的动态飞行可行域状态点，构建倾转旋翼飞行器过渡过程的动态飞行可行域，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在动态飞行可行域内，建立以飞行速度为自变量以倾转角为因变量的宽裕度可行参考线，并构建倾转旋翼飞行器的纵向运动模型，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，定义结合所述宽裕度可行参考线和性能需求的过渡过程轨迹优化的目标函数，将倾转旋翼飞行器的前向过渡与后向过渡的最优轨迹问题转化为一个包含步骤2所定义的优化目标的非线性动态最优控制问题，并明确倾转旋翼飞行器的作动器范围约束及系统性能约束，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，赋予倾转旋翼飞行器的初始状态
8.一种倾转旋翼飞行器轨迹优化装置，其特征在于，所述装置包括：
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种倾转旋翼飞行器轨迹优化方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立分布式动力的倾转旋翼飞行器的力和力矩的飞行方程，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，制定倾转旋翼飞行器的前向过渡以及后向过渡的飞行准则，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过求解多目标约束下的动态飞行可行域状态点，构建倾转旋翼飞行器过渡过程的动态飞行可行域，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在动态飞行可行域内，建立以飞行速度为自变量以倾转角为因变量的宽裕度可行参考线，并构建倾转旋翼飞行器的纵向运动模型，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，定义结合所述宽裕度可行参考线和性能需求的过渡过程轨迹优化的目标函数，将倾转旋翼飞行器的前向过渡与后向过渡的最优轨...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁庄，杨希祥，刘多能，朱炳杰，邓小龙，侯中喜，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。