基于虚拟力导向的涵道飞行器非线性控制#侯庆明，郑义，赵杰，金弘哲**（哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150080）510152025303540摘要：引入一种新型的涵道无人飞行器，其控制舵为四个对称安装在涵道尾部的回转轮。回转轮表面与涵道风扇喷射气流之间的相互作用产生了与回转轮转速成正比的气动升力，这种现象在流体力学中被称为马格努斯效应。对于涵道无人飞行器来说，一个普遍存在的问题是，俯仰（横滚）前向运动对偏航运动高度敏感。控制舵需要产生能够自动调整的气动升力，以维持俯仰前向运动的稳定性。最后，提出了一种基于整体飞行动力学的控制舵和位置姿态控制器设计方法。关键词：涵道风扇；飞行器；虚拟力；非线性耦合；马格努斯效应中图分类号：V249.12NonlinearControlofDF-UAVBasedonVirtualForceGuidanceHouQingming,ZhengYi,ZhaoJie,JinHongzhe(SchoolofMechatronicsEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080)Abstract:Thecurrentarticleintroducesaducted-fanunmannedaerialvehicle(DF-UAV)withasteeringenginethathasfourcylinderssymmetricallyinstalledattheaftinsidetheduct.Interactionbetweenthespinningcylindersurfaceandtheductjetflowcausesaerodynamicliftproportionaltoangularvelocityofthecylinder.ThisphenomenonisreferredtoasMagnuseffectinfluidmechanics.AsacommonprobleminDF-UAV,pitch-forward(roll-forward)stabilityishighlysensitivetoyawmotion.Aself-adjustingfunctionontheaerodynamicliftisneededforthesteeringenginecontrollertoretainpitch-forwardstability.Forthispurpose,thepresentworkproposesacoordinateddesignofsteeringenginecontrollerandposition-attitudecontrollerthatisbasedonintegratedflightdynamics.Keywords:ductedfan;aerialvehicle;virtualforce;nonlinearcoupling;Magnuseffect0引言近些年来，涵道无人飞行器成为了无人机研究的热点，这主要是因为其推进效率高、机动性强[1,2]。通常来说，涵道飞行器的控制舵采用具有高升阻力系数的翼型舵面，以便在较小偏转角时能够产生较大的气动升力。然而，为了减缓由于外界侧风干扰而导致的升阻力系数下降，在工程实际中经常采用平行多列翼型[3,4]。本文考虑使用一种新型的基于马格努斯效应的涵道飞行器模型，其控制舵由对称安装在涵道尾部的四个轻量回转轮组成。涵道内尾部的空气流是稳定的喷射气流而且几乎与外界侧风相隔离，这些特点符合产生马格努斯效应的条件。正如库塔-儒科夫斯基升力定理所讲，恒定空气流速下圆柱体的气动升力与其回转角速度成正比[5]。之前的研究已经完成了对涵道无人飞行器的计算流体力学分析和对马格努斯效应的试验分析[6,7]。本文将通过非线性动力学建模及其相关控制器设计来验证所提出的涵道无人飞行器概念的可行性。在系统分析中，如何将系统动力学方程转化为其相伴形式是十分重要的。相伴形式可以帮助简化控制器的设计，还能够阐明系统的特性[8,9,10]。动态逆、分层处理和系统动力学方基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20102302120041）；国家自然科学基金（61004076）；中国博士后科学基金（20100480995）；机器人技术与系统国家重点实验室自拟课题（SKLRS200902B）作者简介：侯庆明，男，博士研究生，主要研究方向为涵道飞行器通信联系人：金弘哲，男，副教授，主要研究方向为系统动力学与非线性控制.hongzhejin@hit.edu.cn-1-程的线性化是常见的获得相伴形式的数学工具，在涵道飞行器设计中也广泛应用[11,12,13,14]。本文提出了一种新的基于虚拟力（力矩）导向的涵道飞行器控制器设计方法。在控制器设计中，该方法可以直接使用考虑了控制舵和螺旋桨运动的整体动力学方程，而无需使用上述提455055及的转化方法。控制器设计的过程总结如下：首先，定义与作用在涵道飞行器上的外界力（力矩）相关的虚拟力（力矩）；通过虚拟力（力矩）计算与控制舵的叠加和扭转运动相关的参考反馈命令；依据动力学解耦规律，将参考反馈命令的各元素转化为控制舵的速度指令；使用李雅普诺夫再设计方法计算虚拟力（力矩）和...