CN114326801B - 一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，包括：根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，当地效飞行器的滚转角靠近安全边界时，滚转限制器开始工作，反馈的滚转角与预设的小于安全边界值的定值经过差值‑比例‑积分环节后得到的副翼操纵信号，与副翼操纵输入信号经过指数开关进行整合，整合后的信号作为新的副翼操纵信号输入增稳控制系统中，对地效飞行器的运动进行控制。通过该方法，地效飞行器能够通过副翼和方向舵的控制，使飞行器的滚转范围始终在安全边界内，避免机翼触水，保证飞行器的安全飞行。
Description
技术领域
本发明涉及地效飞行器的飞行控制设计领域，具体涉及一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法。
背景技术
地效飞行器是一种利用地面效应提供支承力而飞行的运载工具。因贴地飞行时升阻比比一般飞机大，因而飞行所消耗的推进功率小，能提高载重量或航程。多数地效飞行器按照水面上空飞行条件设计，具有浮筒或船身，是介于飞机、舰船和气垫船之间的一种新型高速飞行器。地效飞行器作为一种新型的交通工具，在安全性、经济性、快速性、舒适性等方面有其独到的优势和特殊性，使得地效飞行器具有广阔的市场和应用前景。地效飞行器长时间近水面飞行，行过程中飞行高度受限，飞行的滚转姿态受到飞行高度、自身尺寸等限制，操作不当会发生滚转机翼触水等问题，影响到两栖地效飞行器的飞行安全。所以需要对地效飞行器设计滚转限制器，当飞行器滚转到安全边界时，通过控制副翼，调整飞行的飞行姿态，保证地效飞行器近水面飞行安全。
目前飞行器的滚转限制技术一般用在无人机或有人驾驶飞机的飞行控制过程中，但其针对的是空中飞行的飞行器，采用的是坡度保持控制的方法，不适用于地效飞行器。
发明内容
本发明的目的是提供一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，用以解决地效飞行器的滚转限制控制问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，包括：
根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，当地效飞行器的滚转角φ靠近安全边界时，滚转限制器开始工作，反馈的滚转角与预设的小于安全边界值的定值经过差值-比例-积分环节后得到的副翼操纵信号，与副翼操纵输入信号经过指数开关进行整合，整合后的信号作为新的副翼操纵信号输入增稳控制系统中，对地效飞行器的运动进行控制。
进一步地，根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，具体为：
其中，φlim为地效飞行器滚转姿态的安全边界，l为地效飞行器主翼展长的1/2，H为地效飞行器底部距水面的高度，ΔH为浮筒底部距离水面的距离。
进一步地，φlim为高度H的函数，飞行高度越高，φlim越大；当飞行高度大于l+ΔH时，飞行器运动不再受滚转姿态的限制。
进一步地，所述指数开关的具体设计为：
K1、K2为指数开关的增益指数，取值范围为0～1，分别表示滚转限制器的副翼操纵信号和副翼操纵输入信号在整合后的新的副翼操纵信号中所占的比例；在距离安全边界设定范围内，K1、K2的值随滚转角线性变化：当滚转角靠近安全边界时，起滚转限制作用的增益K1增大，滚转限制器作为主要的操纵信号；滚转角远离安全边界，或者副翼操纵输入减小时，起滚转操纵作用的增益K2增大，副翼操纵输入作为主要的操纵信号。
进一步地，所述设定范围为在距离安全边界大于1°的范围内。
进一步地，K1、K2的计算方法如下：
其中，φ表示滚转角，φlim表示地效飞行器滚转姿态的安全边界。
进一步地，所述当地效飞行器的滚转角φ靠近安全边界时，具体为滚转角φ距边界值小于1°。
进一步地，所述预设的小于安全边界值的定值，为距安全边界值0.5°。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
从仿真图曲线中可以看出，如果地效飞行器没有进行滚转控制，在进行正常的副翼操纵输入时，地效飞行器很可能已经机翼触水，进而造成飞行事故了，而通过对地效飞行器进行滚转限制器设计，地效飞行器能够通过副翼和方向舵的控制，使飞行器的滚转范围始终在安全边界内，避免机翼触水，保证飞行器的安全飞行。
附图说明
图1为地效区内飞行器滚转姿态安全边界示意图；
图2为地效区内飞行器滚转姿态安全边界随高度变化图；
图3为滚转限制器各环节结构框图；
图4为滚转角接近安全边界时K1、K2的变化；其中，(a)为飞行器的滚转角变化；(b)为指数K1、K2的变化；
图5为(a)～(f)为滚转限制器控制效果验证时域仿真曲线。
具体实施方式
由于地效飞行器近水面飞行，飞行过程中飞行高度受限，飞行的滚转姿态受到飞行高度、自身尺寸等限制，操作不当会发生滚转机翼触水等问题，影响到地效飞行器的飞行安全。
参见附图，本发明提供一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，具体包括以下步骤：
1.确定地效飞行器滚转姿态的安全边界
在地效区内，由于飞行器的飞行高度较低，滚转姿态变化容易造成翼尖或机翼下方的浮筒触及水面，引发安全事故，因此需要对地效飞行器滚转姿态安全边界进行定义。
地效飞行器滚转姿态的安全边界与飞行器的飞行高度和自身的几何尺寸有关，由于地效飞行器的机翼分为内外两段，内段的主翼末端装有浮筒，外段的外翼具有一定上反角，因此飞行器发生滚转时，距离水面最近的部分为浮筒而非翼尖，安全边界应保证浮筒不触水。滚转姿态安全边界的计算方法如图1所示。
图中，φlim为地效飞行器滚转姿态的安全边界，l为地效飞行器主翼展长的1/2，H为地效飞行器底部距水面的高度，ΔH为浮筒底部距离水面的距离。φlim可表示为：
由于地效飞行器需要在浪高1.5m的海面上巡航飞行，为保证飞行安全，浮筒底部高度应高于浪尖0.5m，取ΔH＝2m为定值，则φlim为高度H的函数，飞行高度越高，φlim越大；当飞行高度大于l+ΔH时，飞行器运动不再受滚转姿态的限制。
因此，地效飞行器在高度较低的地效区内飞行时，需要通过增稳控制律对其滚转姿态进行限制，以保证飞行安全，滚转姿态安全边界与飞行高度有关。随飞行高度增加，某地效飞行器的安全边界的变化规律如图2所示。
可以看出，随着飞行高度增加，滚转姿态安全边界的范围逐渐增大。由于地效飞机运动过程中的最大滚转角一般不超过50°，因此当飞行高度大于7.5m时，滚转姿态的安全边界大于地效飞机运动可能出现的最大滚转角，可认为地效飞机的运动不再受滚转姿态的限制；当飞行高度小于2m时，飞机的整个机身都可能接触海浪，应视为危险飞行状态，此时需要尽快脱离该高度范围。
2.设计滚转限制器
滚转限制器由边界计算环节、指令计算环节、指数开关整合环节等部分组成，其结构如图3所示。
首先根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，当地效飞行器的滚转角φ靠近安全边界(距边界值小于1°)时，滚转限制器开始工作，反馈的滚转角与预设的小于边界值的定值(距边界值0.5°)经过差值-比例-积分环节后得到的副翼操纵信号，与副翼操纵输入信号δa.c.in经过指数开关进行整合，整合后的信号作为新的副翼操纵信号输入增稳控制系统中，对地效飞行器的运动进行控制。
指数开关的具体原理为：K1、K2为指数开关的增益指数，取值范围为0～1，分别表示滚转限制器的副翼操纵信号和副翼操纵输入信号在整合后的新的副翼操纵信号中所占的比例；在距离安全边界大于1°的范围内，K1、K2的值随滚转角线性变化：当滚转角靠近安全边界时，起滚转限制作用的增益K1增大，滚转限制器作为主要的操纵信号；滚转角远离安全边界，或者副翼操纵输入减小时，起滚转操纵作用的增益K2增大，副翼操纵输入作为主要的操纵信号。K1、K2的计算方法如下：
以飞行高度H＝3m为例，此时滚转姿态的安全边界值为|φlim|＝11.3°，当飞行器的滚转角接近安全边界时，指数K1、K2的变化如图4所示。
通过两个增益指数的变化，可以实现操纵信号在副翼操纵输入和滚转限制器之间的平稳过渡，避免了操纵信号出现突变，或者在判断边界附近来回振荡。
滚转限制器并非简单的增益环节，其中的参数需要根据实际控制效果进行调参，获得不同飞行状态下的参数曲线，在实际飞行过程中，通过插值得到需要的控制参数。
为验证滚转限制器的控制效果，需要通过副翼操纵使飞行器的滚转姿态接近安全边界，在此状态下对比加入滚转限制器的闭环飞行器和未加入滚转限制器的闭环飞行器的运动状态。对两种飞行器分别施加幅值为5°，持续时间为5s的副翼操纵，20s内飞行器的时域响应如图5所示。
可以看出，两种飞行器在开始时运动状态重合，当滚转角增大至接近安全边界后，滚转限制器开始工作，加入滚转限制器的闭环飞行器滚转运动姿态被限制在安全范围内，未加滚转限制的飞行器滚转角超过安全边界，可能引发飞行安全事故。同时加入滚转限制的飞行器也在通过方向舵偏转产生侧滑角，弥补滚转角受限后转弯性能不足的问题，20s时间内，两种飞行器的偏航角和侧偏距离相差不大。仿真结果说明滚转控制器可以较好地将飞行器的滚转姿态限制在安全边界内，同时不会使飞行器损失过多的转弯性能。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，其特征在于，包括：
根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，当地效飞行器的滚转角靠近安全边界时，滚转限制器开始工作，反馈的滚转角与预设的小于安全边界值的定值经过差值-比例-积分环节后得到的副翼操纵信号，与副翼操纵输入信号经过指数开关进行整合，整合后的信号作为新的副翼操纵信号输入增稳控制系统中，对地效飞行器的运动进行控制；
根据地效飞行器底部距水面的高度计算得到当前状态下的滚转姿态的安全边界，具体为：
其中，φlim为地效飞行器滚转姿态的安全边界，l为地效飞行器主翼展长的1/2，H为地效飞行器底部距水面的高度，ΔH为浮筒底部距离水面的距离；
所述指数开关的具体设计为：
K1、K2为指数开关的增益指数，取值范围为0～1，分别表示滚转限制器的副翼操纵信号和副翼操纵输入信号在整合后的新的副翼操纵信号中所占的比例；在距离安全边界设定范围内，K1、K2的值随滚转角线性变化：当滚转角靠近安全边界时，起滚转限制作用的增益K1增大，滚转限制器作为主要的操纵信号；滚转角远离安全边界，或者副翼操纵输入减小时，起滚转操纵作用的增益K2增大，副翼操纵输入作为主要的操纵信号；
K1、K2的计算方法如下：
其中，φ表示滚转角，φlim表示地效飞行器滚转姿态的安全边界。
2.根据权利要求1所述的地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，其特征在于，φlim为高度H的函数，飞行高度越高，φlim越大；当飞行高度大于l+ΔH时，飞行器运动不再受滚转姿态的限制。
3.根据权利要求1所述的地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，其特征在于，所述设定范围为在距离安全边界大于1°的范围内。
4.根据权利要求1所述的地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，其特征在于，所述当地效飞行器的滚转角φ靠近安全边界时，具体为滚转角φ距边界值小于1°。
5.根据权利要求1所述的地效飞行器指数开关滚转限制器设计方法，其特征在于，所述预设的小于安全边界值的定值，为距安全边界值0.5°。
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