(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210988512.8 (22)申请日 2022.08.17 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 刘宁君　王英勋　赵江　 (74)专利代理 机构 北京瑞成兴业知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11288 专利代理师 李慧　刘青 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) B64F 5/00(2017.01) G06F 113/28(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方 法 (57)摘要 本发明涉及飞行器控制技术， 其公开了一种 倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法。 利 用该斜向飞行模式， 飞机可在机身与水平面成约 γ角的倾斜状态下， 实现悬停、 慢飞， 并且可沿着 与机身平行的斜向路径加速爬升与飞行。 该斜向 飞行模式的实现方法为： 在每一组不同的空速V 和航迹倾角γ的状态下， 求得多组俯仰角θ和旋 翼倾转角δt， 使得飞机的受力状况满足： 力矩平 衡、 沿飞行路径法向合力为零。 从而， 建立控制飞 机在每一组空速和航迹倾角(V,γ)的斜向飞行 状态下的控制量组合(θ,δt)的查表型函数。 在 可用的(θ,δt)组合中， 优选出最优结果， 使飞 机沿斜向飞行时加速最快。 本发 明扩展了倾转旋 翼机现有的垂直悬停/上升/下降和水平前飞两 种飞行模式， 改善了其飞行性能、 提高了飞行效 率。 权利要求书4页 说明书10页 附图6页 CN 115270312 A 2022.11.01 CN 115270312 A 1.一种倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 通过姿态与动力的 组合控制， 使得倾转旋翼机可在机身与水平面成约γ角的倾斜状态下， 实现沿着斜向路径 加速爬升与飞行。 2.根据权利要求1所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 斜 向飞行模式的设计方法为： 建立 飞机的动力学模 型， 该动力学模型的六自由度运动方程(1) 为： 在每一组不同的空速V和航迹倾角γ的状态下， 求得多组俯仰角 θ和倾转角 δt， 使得飞机 的受力状况满足： 力矩 平衡、 沿飞行路径法向合力为 零； 从而， 建立控制飞机在每一组空速和航迹倾角(V,γ)的斜向飞行状态下的控制量组合 ( θ, δt)的查表型函数： (俯仰角 θ,倾 转角 δt)＝f(空速V,航迹倾角γ) 其中： φ为滚转角， θ为俯仰角、 ψ为偏航角； p,q,r为滚转、 俯仰和偏航角速度； 为俯仰 角加速度， 为俯仰角的微分， M为俯仰力矩， Jyy为绕机体系Y轴的转动惯量， xE,yE,zE为位置 坐标； γ为 航迹倾角， V为空速， δt为倾转角； u,v,w 为体轴系中的三轴空速分量。 3.根据权利要求2所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 维 持飞机的斜向飞行状态， 对每一组不同的空速V和航迹倾角γ状态， 求得多组机体俯仰角 θ 和倾转角 δt， 具体包括如下步骤： S1.开始； S2.在预设范围内设定一组飞行状态参数： 空速Vi、 航迹倾角γi， i为自然数； S3.在预设范围内设定一个倾 转角 δti， i为自然数； S4.选择俯仰角 θ sp， θ sp＝θi＝θi‑1+Δθ， Δθ >0， i 为选择次数， i ＝1时， θ i＝‑90°； S5.计算沿斜向飞行方向的法向合力， 判断该法向合力是否为零？ ； 如果是， 进入下一步 S6， 如果否， 进入S7； S6.记录当前飞行状态参数和控制量组合： Vi、 γi、 δti、 θi＝θ sp； S7.判断俯仰角 θi是否到达最大值？ 如果是， 进入下一 步S8， 如果否， 返回S4； S8.判断倾 转角 δt是否涵盖预设范围？ 如果是， 进入下一 步S9， 如果否， 返回S3； S9.判断空速V和航迹倾角γ是否涵盖预设范围？ 如果是， 进入下一步S10， 如果否， 返回 S2； S10.结束， 并根据S6得到查表函数： (俯仰角 θ,倾 转角 δt)＝f(空速V,航迹倾角γ)。 4.根据权利要求3所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 所 述空速V的预设范围为： V>0至最大值Vmax； 所述航迹倾角γ的预设范围是0 °＜γ＜90 °； 所权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115270312 A 2述俯仰角 θ 的预设范围是： ‑90°≤θsp≤90°； 所述倾转角的预设范围是倾转旋翼机倾转机构 容许的最大 范围。 5.根据权利要求3所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 在 斜向飞行状态下， 求得可达到沿斜向飞行方向最大加速度的机体俯仰角 θ和倾转角 δt； 在所 述步骤S6中， 进一 步包括以下步骤： S6‑1.在该每一组空速和航迹倾角(V,γ)状态下， 将所得到多组控制量组合( θ, δt)集 合； 对每一组控制量组合( θ, δt)， 计算飞机在沿着斜向飞行 方向的加速度； S6‑2.记录加速度最大的一组飞行状态参数和控制量组合： V、 γ、 δt、 θ 。 6.根据权利要求3或4或5所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征 在于， 计算维持正确的斜向飞行模式机体姿态所需的控制力矩； 具体控制过程 为： 所述步骤S4中， 当给定一个俯仰角期望值θ sp时， 其控制过程包括以下步骤： S4‑1.通过姿态控制律控制， 得出滚转力矩、 俯仰力矩和偏航力矩的期望值Lsp、 Msp、 Nsp； S4‑2.通过舵面控制律得 出副翼、 升降舵和方向舵的偏转角 δa,out, δe,out, δr,out； S4‑3.计算旋翼所需产生的滚转力矩、 俯仰力矩、 偏航力矩： Lrot,Mrot,Nrot； S4‑4.将所需产生的滚转力 矩、 俯仰力矩、 偏航力 矩： Lrot,Mrot,Nrot其从体轴系转换到倾 斜坐标系， 得 出Lrot， T、 Mrot， T、 Nrot， T； S4‑5.计算左、 右、 后旋翼所需的拉力TL,TR,TA， 所需调整的左、 右旋翼倾 转角： δtL, δtR。 7.根据权利要求6所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 飞 机姿态控制律的三轴力矩Lsp、 Msp、 Nsp计算 步骤如下： 即， 通过姿态控制律计算： 且： φsp＝φ＝ ψsp＝ ψ＝p＝r＝0； 其中： φ、 θ、 ψ为滚转角、 俯仰角、 偏航角， φsp、 θsp、 ψsp为滚转角、 俯仰角、 偏航角的期望 值， psp、 qsp、 rsp为滚转角、 俯仰角、 偏航角的期望角速度； 为期望的滚转、 俯 仰和偏航角加速度； Lsp、 Msp、 Nsp为滚转、 俯仰和偏航力矩的期望值； Jxx、 Jyy、 Jzz为绕机体 系X、 Y、 Z轴的转动惯量； kPφ,kP θ,kP ψ为常数系数， kPp,kPq,kPr为常数系数。 8.根据权利要求7所述的倾转旋翼机斜向飞行模式的设计及实现方法， 其特征在于， 求 得飞机副翼、 升降舵和方向舵的偏转角度 δa,out, δe,out, δr,out； 具体通过以下 舵面控制律计算： 其中： δa,out, δe,out, δr,out为副翼、 升降舵和方向舵的偏转角， kroll,kpitch,kyaw为常数系权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115270312 A 3