matlab基于多体系统传递矩阵法的旋翼无人机建模与分析研究(2)
本文的研究对象为旋翼无人机中前景广阔的倾转旋翼无人机。作为结合了固定翼飞机与直升机特点的一类新型旋翼无人机，它既有常规直升机可垂直起降与空中悬停的能力，又兼具一般螺 旋桨飞机高速巡 航的能力，在军用和民用领域具有广阔的应 用前景[1,2]。但是在倾转旋翼机提高飞行性能的同时，也带来了新的设计与控制难题，因此研究此类复杂无人机的建模与分析对于解决其他旋翼类无人机的建模问题有重要的示范意义。
倾转旋翼无人机是一种结合固定翼飞机与直升机特点的新型旋翼无人机，具有三种飞行模式：起飞和低速航行的直升机模式，高速飞行的固定翼飞机模式和实现这两种模式之间转换的过渡模式，如图1.1所示。结构上显著的特征是在机翼尖端分别安装了能在水平与竖直位置之间倾转的旋翼短舱，内部配置涡轮发动机驱动旋翼转动。通过旋翼短舱的倾转角度从 至 的变换，实现从直升机模式向固定翼飞机模式的转变。
图 1.1 倾转旋翼无人机三种飞行模式
倾 转旋翼无人机的旋 翼异于传统的单旋翼无人机：直升机模式下旋翼产生系统所需的升力，飞机模式下旋翼主要产生向前的推力，这时的升力由机翼提供，类似于螺旋桨飞机。为了兼顾倾转旋翼无人机在两种模式下的飞行性能，旋翼的结构设计应采取折中的方法[5]。
倾转旋翼无人机在优化飞行性 能的同 时，也带来了不少技术上的挑战。倾转旋翼无人机兼具固定翼飞机与直升机的优点，同时兼具二者的动力学难题，机构构造非常复杂，同时旋翼机翼的气动干扰和各部分之间的耦合较为强烈，因此建立统一的数学模型是一项难度很大的关键技术。
1.2 研究意义
现有的对旋翼无人机的动力学建模方法多为将旋翼无人机各部分分开建模,求出整体的力和运动方程。由于微分方程的阶次一般取决于系统总自由度，导致方程运算量太大求解困难；另外旋翼无人机各部分之间的耦合关系非常复杂，通常难以考虑全面，导致建立的数学模型在精度和准确度上难以达到要求。因此，对倾转旋翼无人机系统而言，深入探讨其动力学模型的建模方法具有非常重要的价值和意义。
就作者所查公开文献，鲜见传递矩阵法在无人机建模上的应用。多体系统传递矩阵法作为多体系统动力学研究中的一种全新的方法和手段，目前已成功地应用于自行火炮发射动力学、多管火箭发射动力学与舰炮发射动力学等当今国际兵器热点问题的理论研究[3，4]，取得了几项重大工程应用成果并且建立了若干新理论。
本课题正是将多体系统传递矩阵法作为分析工具，利用其建模当中的不需要系统整体动力学方程即可进行复杂多体系统动力学建模以及快速运算的特点，选取倾转旋翼无人机作为研究对象，建立其悬停状态下的飞行动力学数学模型。在该模型的基础上对其进行固有频率的求解，研究旋翼无人机的振动特性，解决平衡位置附近的振动问题。为今后将此方法拓展到其它无人机机型的建模进行首次探索，以期为无人机的建模与分析提供一种新的思路。
1.3 倾转旋翼无人机建模研究现状
对倾转旋翼无人机的研究始于二战时期，接着贝 尔公司于1955年研制出第一架倾转旋翼原形样机XV-3[6],并在直升机模式下完成首次垂直起降飞行试验，成功地验证了该新型旋翼机飞行的可行性。随后XV-15与V-22“鱼鹰”倾转旋翼有人机相继由贝尔公司成功研制，机型如图1.2和图1.3，开创了倾转旋翼机发展的新局面。