倾转旋翼无人机发展现状及关键技术概述

邵扬杰，刘莉，曹潇，贺云涛

(北京理工大学宇航学院，北京100081)

 

摘要：倾转旋翼无人机综合了旋翼机垂直起降和固定翼飞机长航时飞行的优势，是目前无人机领域的研究热点之一。综述了国内外倾转旋翼无人机的发展现状，介绍了具体型号及其参数。对倾转旋翼无人机的总体设计、气动分析、动力学建模、控制器设计等关键技术进行了概述，介绍和分析了其中的重点问题。针对总体设计，强调了考虑多种飞行模式的设计，分析了气动布局、结构设计中的问题;针对气动分析，介绍了旋翼气动建模方法、流场动态分析方法；针对动力学建模，讨论了动力学方程建模和系统辨识建模的方法；针对控制器设计，介绍了倾转角曲线，并对各类控制算法进行概述。最后指出了需要解决的关键技术难题，可为倾转旋翼无人机的研究工作提供借鉴。

结论：本文针对倾转旋翼无人机的特点，从总体设计、空气动力学分析、动力学建模以及控制器设计四个主要方面，对其研究现状和技术难点进行

了总结和分析，可以得出：

(1)针对倾转旋翼无人机存在的复杂气动干扰问题，在设计阶段，应该通过选择合适的气动布局减小其影响。其多个动力装置的布局选择，也应该与机翼结构强度、全机质量特性等综合考虑。

(2)在倾转旋翼无人机的空气动力学分析中，CFD技术的应用可以得到精度较高的计算结果，但是，如何进一步减小计算成本是一个需要解决的问题。

(3)在倾转旋翼无人机动力学建模方法中，一方面可以通过风洞试验或 CFD技术获得精确的气动数据来建立更为精确的模型。另一方面，可以通过系统辨识技术建立无人机的黑箱或灰箱模型。

(4)在无人机控制算法设计中，其难点在于过渡过程的有效控制。首先需要设计平稳高效的倾转方案即倾转角曲线。其次在控制器中可将倾转旋翼无人机的动力学非线性系统线性化，再用PID算法或特征值分配算法、MPC算法等控制算法设计控制器。对过渡过程的控制更多地运用增益调度法等。控制算法对动力学模型的精确性有依赖，同时控制器的设计需要增强对气动系数不精确等不确定因素的鲁棒性。