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研究生: 張灝
Chang, Hao
論文名稱: 飛機全自由度花式飛行之分析與控制
Analysis and control of aircraft in full degree-of-freedom aerobatic flight
指導教授: 陳正宗
Chan, Jenq-Tzong H.
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 橫向迴旋運動飛行軌跡
外文關鍵詞: horizontal circle motion, flight trajectory
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  • 飛機在花式飛行表演中,以駕駛員操控飛機之人工方法下,無法輕易得到想要的理想軌跡,例如保持固定半徑之正圓、保持固定長短軸之橢圓。本論文在於不簡化運動方程式的狀態下,分析其飛行軌跡,並探討如何使飛機做出花式飛行中的橫向迴旋運動,持續繞圈於固定軌跡上。在此以NAVION為研究對象,推導出六個運動方程式,其中不做運動方程式簡化,以期符合真實飛行。在此以迴受控制器控制。首先,先建立飛行軌跡與控制項之間的關係,由欲旋轉角速率控制副翼指令,在藉由滾轉角速率來修正方向舵指令,藉以達成橫向迴旋運動,在使用升降舵控制飛機以保持高度飛行。最後,藉由觀察不同的初始速度與欲飛行的半徑,做結果分析,找出長短軸的比例與軌跡圓的傾斜角度,將各種不同情況下的穩定條件建立圖表,方便由圖表中查出穩定條件。

    During the aerobatic performance of aircraft, it is uneasy to achieve expected ideal trajectory when using manual method of pilot’s operating the aircraft, such as keeping a trajectory of fixed-radius circle or fixed-major-and-minor-axis ellipse. This paper aims to analyze flight trajectory without simplifying the equation of motion, and discuss how to make the aircraft accomplish horizontal circle motion with repeated loops along fixed trajectory during an aerobatic flight. With NAVION as the research object, this paper deduces six equations of motions, which are not simplified so as to confirm to real flight. Feedback controller is used to control the aircraft. First, relationship between flight trajectory and control item is constructed, and the desired rotating angular rate is used to control the command of aileron. Then, rolling angular rate is used to correct the command of rudder, so as to achieve horizontal circle motion. Elevator is used to control the aircraft, so as to keep high-altitude flight. Finally, result analysis is carried out through observing different initial speeds and desired flight radius, so as to find out the ratio of major axis and minor axis as well as inclination angle of circle trajectory. This paper also makes diagrams about stability conditions under different situations to help find stability conditions from these diagrams.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 IX 符號說明 XIX 第一章 緒論 1 1-1簡介與研究動機 1 1-2研究方法 2 1-3 內文大綱 3 第二章 飛機系統動態模式與主要外力與氣動力矩分析 4 2-1飛機系統動態模式 4 2-1-1機體座標系 4 2-1-2由拉角(Euler Angle) 5 2-1-3運動方程式推導 5 2-2主要外力與氣動力矩分析 9 2-2-1自由體圖分析 9 2-2-2 主要外力與氣動力矩之估計 12 第三章 飛行控制設計與模擬測試 15 3-1飛機運動方程式 15 3-2電腦模擬測試與控制器設計 16 3-2-1自定義花式飛行軌跡 16 3-2-2設計迴受控制器 18 3-2-3加入速度控制器與高度控制器 19 3-3路徑導引律設計 22 3-3-1自定義花式飛行軌跡 22 3-3-2建立導引律 24 3-3-3加入自轉角速度之指令追隨控制 26 第四章 電腦模擬與分析 30 4-1前言 30 4-2電腦模擬 30 4-2-1 對自定義之花式飛行軌跡做迴受控制 30 4-2-2對垂直高度之指令追隨控制 47 4-3結果分析 64 4-3-1 Case A 定義正圓軌跡分析 64 4-3-2 Case B 定義橢圓軌跡分析 64 4-3-3 Case C 垂直高度變化分析 66 第五章 結論 69 參考文獻 70 附錄-NAVION之基本資料 71 自述 72

    參考文獻
    【1】Williams,Neil Aerobatic, Airlife Publications, 1975
    【2】Etkin, B. and Reid, L.D., dynamics of Flight Stability and
    control, John Wiley & Sons, Inc.,1996
    【3】Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic control,
    McGraw-Hill, 1998
    【4】陳正宗,國立成功大學航空太空工程學系飛行動力學上課講義
    http://www.iaa.ncku.edu.tw/~jthchan/飛行動力學.htm
    【5】洪崇雄,模型飛機花式飛行之自動控制,國立成功大學航空太空工
    程研究所論文,2009
    【6】黃鈞麟,飛機花式飛行之逆向工程控制,國立成功大學航空太空
    工程研究所論文,2009
    【7】Richard C. Dorf,Robert H. Bishop ,Modern Control System,
    9th end, Prentice-Hall, Inc., 2001
    【8】陳正宗,國立成功大學航空太空工程學系飛具穩定與控制上課講義
    http://www.iaa.ncku.edu.tw/~jthchan/飛具穩定.htm

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