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基于马格努斯效应的新型飞行器姿态控制研究

摘要

随着现代飞行控制技术的发展和自动化水平的提高，越来越需要适应不同场景、

实现不同任务的飞行器。基于马格努斯原理设计的飞行器已经在多个领域成功应用。

考虑马格努斯效应飞行器具有良好的低空低速性能和高升力特点，采用滚筒翼替代传

统固定机翼。然而，滚筒翼高速旋转使得基于马格努斯效应的新型飞行器具有强非线

性、强耦合及不确定性的特点，且产生的陀螺力矩对新型飞行器姿态控制造成了负面

影响。

本文以马格努斯效应的新型飞行器为研究对象，研究新型飞行器的姿态控制方

法。以考虑滚筒翼陀螺力矩特性的新型飞行器动力学建模与分析为基础，对新型飞行

器基于不同控制算法的姿态控制开展相关研究，主要研究内容如下：

1）针对马格努斯效应的新型飞行器滚筒翼高速旋转特点，建立一种考虑滚筒翼

陀螺力矩特性的六自由度动力学模型，给出新型飞行器的气动特性与滚筒翼的陀螺力

矩特性；研究新型飞行器的稳定性和操纵性，为基于马格努斯效应的新型飞行器的控

制设计提供基础。

2）以马格努斯效应的新型飞行器动力学模型为基础，针对新型飞行器三通道强

耦合、强非线性及滚筒翼陀螺力矩特性引起的不确定性问题，给出其三通道的自抗扰

控制方法，仿真验证自抗扰姿态控制器的可行性和鲁棒性。

3）基于上述飞行器的特点，提出一种无模型自适应的新型飞行器姿态控制方

法。基于模型强不确定性的特点，给出控制方案及算法，利用粒子群算法对无模型自

适应控制器参数寻优。考虑历史数据信息对无模型自适应算法的控制性能影响，给出

减小超调及抑制振荡的算法，引入可变遗忘因子调节历史数据信息权重，提出自适应

调节控制行为的控制策略，仿真验证所提出的无模型自适应控制的可行性和有效性。

关键词：马格努斯效应；新型飞行器；自抗扰控制；无模型自适应控制

哈尔滨工程大学硕士学位论文

Abstract

Withthedevelopmentofmodernflightcontroltechnologyandtheimprovementof

automationlevel,itismoreandmorenecessarytoadapttodifferentscenariosandrealize

differenttasks.AircraftbasedonMagnusprinciplehavebeensuccessfullyappliedinmany

fields.ConsideringthatMagnuseffectaircrafthasgoodlow-speedperformanceatlow

altitudeandhighlift,rollerwingisusedtoreplacetraditionalfixedwing.However,thehigh

speedrotationoftherotormakesthenewaircraftbasedonMagnuseffecthavethe

characteristicsofstrongnonlinearity,strongcouplinganduncertainty,andtheresulting

gyroscopictorquehasanegativeeffectontheattitudecontrolofthenewaircraft.Inthispaper,

theattitudecontrolmethodofnewaircraftbasedonMagnuseffectisstudied.Basedonthe

dynamicmodelingandanalysisofthenewaircraftconsideringthetorquecharacteristicsof

therotary-winggyro,therelevantresearchonthe