第30卷 第10期航 空 学 报Vol 130No 110 2009年 10月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUT ICA SINICA Oct. 2009收稿日期:2008208212;修订日期:2008212205基金项目:国家自然科学基金(90605007);南京航空航天大学博士生创新基金((B CXJ06208)通讯作者:何真E 2mail:hezhen@文章编号:100026893(2009)1021906206变体飞行器控制系统综述陆宇平,何真(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016)A Survey of Morphing Aircraft Control SystemsLu Yuping,H e Zhen(College of Automation Engineering,Nanjing Universit y of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)摘 要:介绍了变体飞行器控制系统和涉及的控制理论问题。
分析了变体飞行器的控制系统,指出变体飞行器的控制系统由变形控制层和飞行控制层组成。
对变体飞行器的硬件结构和变体飞行器控制方法的研究现状进行了阐述。
分析了集中式和分布式两种变形机械结构以及控制系统体系结构,提出采用总线网络连接变形结构的分布式元件。
总结了变体飞行器需深入研究的变形控制和飞行控制问题,包括大尺度变体飞行器的飞行控制问题,通信受约束的大数目的驱动器的协调控制问题。
关键词:变体飞行器;变形控制;飞行控制系统;分布式控制;网络控制中图分类号:V249 文献标识码:AAbstr act:The control system and r elated cont rol theor y of morphing aircraft a re introduced.The cont rol sys 2tem of mor phing air cr aft is analyzed.I t is shown that the system consists of a shape cont rol loop and a f light cont rol loop.Advances in the mechanical structures and contr ol appr oaches of mor phing aircraft ar e discussed.The centra lized mechanica l morphing structur e,the distributed mechanical morphing st ructur e,and the contr ol system structure are analyzed.It is pr oposed that the distr ibuted components in a morphing st ructur e should be connected through a bus net work.F utur e work in the shape contr ol and flight control of morphing aircraft is summar ized,including the flight contr ol of large 2scale shape air craft,cooperat ive contr ol of large numbers of actuators under communication constraints.Key words:morphing aircraft;sha pe control;flight control systems;distr ibuted control;networked contr ol变体飞行器能根据飞行环境和飞行任务的变化,相应地改变外形,始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境(高度、马赫数等)里执行多种任务(如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等)的要求。
变体飞行器还能够改善飞行器空气动力学性能,增加续航时间,用能连续、光滑变形的变形结构代替传统操纵面,提高隐身性能。
由于具有这些优势,变体飞行器得到了各国的重视。
目前,已开展过的或正在开展的变体飞行器项目有[125]:美国的AFTI/F111自适应机翼项目,主动柔性翼(AFW)计划,智能机翼(Smart Wing)项目和近期启动的变形飞机结构(MAS)项目;欧洲的3AS(Active Aeroelastic A ir craft Structures)研究项目等。
与传统飞行器相比,变体飞行器最特殊之处在于它具有变形结构。
这给气动、材料、结构、控制和优化等多个学科提出了一系列有待研究的问题。
在控制学科方面,变形结构的分布式驱动特性以及变形引起的飞行器模型的不确定性和非线性等都引出了许多具有挑战性的研究课题。
本文总结与思考了变体飞行器的控制体系结构设计和控制理论研究,提出了需深入研究的变形控制和飞行控制方面的问题。
1 工作原理变体飞行器的控制系统可分为两个层次,如图1所示。
第1层可称为变形控制系统,对变形结构进行控制,即实现变形控制;第2层可称为飞行控制系统,控制整个飞行器的飞行状态,即实现飞行控制。
变体飞行器的变形结构是使变体飞行器实现/变体0的部件。
为了获得高气动效率,变体飞行器的变形应该是连续的、光滑的,因此,大部分变形结构由大数量的分布式驱动单元组成。
变形结构可以是分布式作动器驱动的机械连杆结构(驱第10期陆宇平等:变体飞行器控制系统综述图1变体飞行器控制系统示意图F ig11Scheme of mor phing aircr aft control system动器可为智能材料),也可以是在基底材料里分布式地粘贴或埋入了智能材料作动器的智能结构。
变形控制层需要使得全体驱动结构单元协同动作,以完成复杂的、连续的、光滑的外形变化。
变体飞行器的飞行控制系统需要在变形结构按预定程序变形时维持飞行器的稳定;或者更进一步,将变形翼(或其他变形结构)作为附加的飞行器操纵机构,利用变形引起的空气动力学效应来辅助操纵,甚至完全操纵飞行器,实现飞行器的机动控制。
变体飞行器变形过程中,变体飞行器空气动力学特性复杂,重心、转动惯量变化大,模型具有高度的非线性和不确定性,这给飞行控制律设计增加了困难。
2结构与特点211变形控制系统的机械结构目前的变体飞行器的变形控制系统的硬件结构有集中式和分布式两种。
集中式结构制作较简单,但驱动器承受的载荷大,对其强度要求高,导致结构重量大,而且变形形式固定单一,如只能改变后掠角;驱动器故障时将导致飞行器失效。
分布式结构中,多个驱动器分担载荷,有助于减轻结构重量,变形形式灵活,鲁棒性强,在部分驱动器发生故障时能够保证飞行器具有足够的可控性。
在集中式结构方面,美国Virginia州立大学的智能材料系统与结构中心搭建了一个全尺寸的自适应飞机结构风洞实验模型[6],使用机械结构改变翼的形状。
这种集中式的机械结构改变外形的范围有限,即能够实现的变形的复杂程度低,能实现的变形模式简单。
美国Maryland大学提出了使用压缩空气作为动力的气压驱动器改变机翼后掠角[7]。
在分布式结构方面,NA SA Langley研究中心以Lockheed Martin公司ICE飞机的气动外形为基础,提出一个利用机翼局部变形控制飞行器的概念设计[8],选择分布式形状致变装置阵列作为作动器,每个机翼安装4个阵列、共78个形状致变装置。
美国的自适应机翼研究项目中,以AFT I/F111为平台的任务自适应机翼能够实现前缘弯度变形[9]。
每个机翼由7个套连杆机构组成,每个套连杆机构由独立的电动液压驱动器控制双臂曲柄和驱动曲柄来驱动。
美国Grumman 公司研究中心设计了自适应桁架翼肋结构[10],用于改变机翼横截面翼型。
美国Dayton研究学院与空军研究实验室等设计了使用分布式驱动器网络的剪形机翼机构[11],可以改变机翼面积和后掠角。
NASA Langley研究中心设计的遥控飞行器安装有24个后缘变形作动器和压力测量传感器,称为多功能作动器和传感器阵列测试平台[12],能够利用变形阵列主动控制展向压力分布。
美国Smart Wing项目研究了基于NGC无人战斗机模型的变体飞行器模型[13],在两次实验中机翼的智能后缘分别由6个和10个独立的受控操纵面段连接组成。
美国NextGen航空公司为MAS项目1907航空学报第30卷设计的滑动蒙皮变形机翼也采用了分布式驱动结构[14],其机械结构由多个4连杆组件连接而成,如图2所示。
图2NextGen航空公司的变形机翼结构[15]Fig12NextGen Aeronautics.s mor phingwing st ructur e[15]美国Pennsylvania州立大学设计以八面体腱驱动柔顺细胞桁架作为变体飞行器的主动结构单元[16],如图3所示。
每个单元的桁架杆件通过柔性铰链(SMA)连接。
美国Virginia大学设计了以张拉整体结构为基础的变形机翼结构[17]。
该结构以绳索作为驱动器,将多个张拉整体结构单元连接起来。
图3用于变形机翼的腱驱动柔顺细胞桁架[16]Fig13T endon2actuated com pliant cellulart russes in a mor phing wing[16]212控制系统体系结构目前大多数变体飞行器处于实验阶段,搭建的控制系统比较简陋。
许多变体飞行器的实验模型采用串口连接分布式驱动器、驱动器和控制器。
美国Stanford大学设计的变体遥控飞行器的控制计算机为dSPACE半物理仿真平台,放置在风洞控制室,通过dSPACE的实时接口远程控制操纵面[12]。
飞行器模型内的4个伺服串行板,通过RS232串口协议与dSPACE连接,将dSPACE系统的位置控制指令转换为脉冲序列信号,输送给驱动器,每个串行板可驱动8个伺服机构。
意大利Milano理工学院设计的主动自适应弯度机翼(AAWC)的控制计算机通过串口连接并控制4个伺服控制器,通过杠杆驱动4个旋转翼肋[18]。
大多数变体飞行器使用大数目、小体积、分布式驱动器阵列,以代替典型的飞行控制驱动器,即小数目、高权限的集中驱动方式。
但是变形结构,如机翼,在装备分布式驱动器和传感器后,空间很狭小,留给布线的空间十分有限[19]。
如果每个元件都点对点地连接到控制器,布线将占据很大空间,不适用于实际的变形机翼。
而采用串口连接分布式驱动器、驱动器和控制器的通信连接方式,不适用于元件众多、实时性要求高的变体飞行器。