● 摘要
浮升混合飞行器将传统静浮力飞艇设计成具有较大升阻比的气动外形，其主要升力由静浮力气体和气动升力力共同承担，适用于复杂地形下的大载重运输，同时也可用于通信中继及地面监控等领域，因此近年来浮升混合飞行器得到了世界各国的广泛关注。本文以浮升混合飞行器为研究对象，通过总体设计和相关飞行性能研究确认可行的总体设计方案，在稳定性与控制分析的基础上，着重对其矢量螺旋桨直接力/气动力协同作用下控制策略进行研究，主要贡献包括：
1.对浮升混合飞行器进行方案设计和飞行性能分析：a）参考常规固定翼飞机和静浮力飞艇，对浮升混合飞行器这种新型飞行器进行总体方案设计；b）在总体方案的基础上重点分析包括浮力率（BR）在内的不同设计参数对飞行性能的影响及其与常规飞行器的不同点；c）通过计算流体力学分析了混合飞行器气动性能，并构建完整的气动数据库，研究特殊外形飞行器附加惯性力计算方法。
2.基于动力学模型分析浮升混合飞行器的稳定性和可控性：a)根据气动力和附加惯性力的计算，同时增加矢量推进系统直接力、重力和浮力等，构建完整的混合飞行器动力学模型；b）在动力学模型基础上，研究了混合飞行器的静稳定性和运动稳定性，深入分析其稳定性与常规固定翼飞机和静浮力飞艇的不同之处；c)根据混合飞行器稳定性和操纵性特点，提出矢量桨直接力/气动力协调控制的方案，并分析了不同执行机构的控制策略。
3.推广了基于数学规划的控制分配方法：a)通过将有约束的二次规划的问题映射到无约束的数学规划问题，进而利用改进的牛顿法达到二阶收敛，并实现全局收敛；b)在反步法控制的基础上对虚拟控制期望信号增加积分项，减小外界干扰和模型不准确性带来的误差，用于后续混合飞行器的控制律设计。
4.针对矢量推进系统直接力/气动力协同控制作用下的浮升混合飞行器六自由度模型，分别提出了基于反馈线性化法的欠驱动路径跟踪控制和基于轨迹线性化法的全驱动轨迹跟踪控制。前者在不考虑时间因素的条件下对混合飞行器平动速度和转动速度进行合理分配，完成路径跟踪控制；后者将混合飞行器平动和转动分解，同时将纵向动力学和横向动力学分解，分别进行控制律设计。
5.研究了浮升混合飞行器在矢量推进系统直接力控制条件下过驱动路径跟踪问题。利用映射法将多维分布式矢量推进系统力和力矩的分配问题转化为无约束的数学规划问题，从而利用改进牛顿法对其进行控制分配；利用增加积分项的反步法对姿态和速度进行跟踪控制，减小矢量桨模型误差对路径跟踪控制的影响，并提高控制器瞬态和稳态性能。
总之，本文在对浮升混合飞行器总体方案及性能分析的基础上，构建完整的动力学模型，通过分析其稳定性和操纵性，利用改进的反步法和映射牛顿法完成矢量推进系统直接力/气动力协调控制方案设计。