一、引言

复合翼（Compound Wing）和倾转旋翼（Tilt - Rotor）飞行器在现代航空领域均占据独特地位，二者在设计和控制算法方面展现出显著差异。这些差异在飞行模式切换、推进系统设计、控制算法复杂度以及飞行器稳定性等多个关键方面均有体现。深入剖析这些差异有助于全面理解两种飞行器的特性与适用场景，为相关领域的研究、设计与应用提供有力参考。

二、飞行器设计

（一）复合翼飞行器（Compound Wing）

1. 设计特点
   • 垂直起降模式：配备多个旋翼（如多旋翼结构），其主要功能在于提供垂直升力，使飞行器能够实现垂直起飞、降落以及悬停操作，类似于常见的多旋翼无人机在垂直起降阶段的工作原理。
   • 水平飞行模式：当飞行器进入水平飞行模式时，主要的升力来源切换为固定翼。此时，固定翼凭借其独特的空气动力学外形，在飞行器向前飞行过程中产生升力，而螺旋桨则负责提供推进力，推动飞行器在水平方向上持续飞行，从而实现高效的水平飞行。
   • 过渡模式：在从垂直起降模式向水平飞行模式转换以及反向转换的过渡阶段，飞行器的旋翼与固定翼协同工作机制发生动态变化。旋翼的转速逐渐降低，并开始发生倾斜，其产生的升力逐渐减小；与此同时，固定翼所承担的升力比例逐步增加，直至过渡完成，实现飞行模式的平稳切换。
2. 优势
   • 多功能融合：成功整合了旋翼的垂直起降便捷性与固定翼的高速巡航能力，使其在不同飞行任务阶段均能发挥优势，无需依赖专门的起降场地，同时又能在长距离飞行中保持较高的飞行速度与效率。
   • 水平飞行高效性：在水平飞行模式下，由于固定翼承担主要升力，相比传统仅依赖旋翼的垂直起降（VTOL）飞行器，其受到的空气阻力更小，能耗更低，能够以更高的速度巡航，显著提升了飞行效率与航程。
   • 广泛适用性：适用于对飞行效率、航程以及飞行稳定性均有较高要求的多种应用场景，如长距离的物资运输、航拍测绘中的长航线作业、远程巡逻等任务。
3. 缺点
   • 过渡控制挑战：从垂直起降到水平飞行的过渡过程对控制算法的精确性与稳定性要求极高。若控制不当，极易导致飞行器失速或出现不稳定状态，影响飞行安全与任务执行效果。
   • 系统集成复杂性：需要同时集成旋翼和固定翼两套相对独立的控制系统，并实现二者之间的无缝协同工作，这无疑增加了飞行器整体设计与研发的复杂性与难度，对技术水平与工程经验提出了更高要求。

（二）倾转旋翼飞行器（Tilt - Rotor）

1. 设计特点
   • 垂直起降模式：在垂直起降模式下，旋翼保持垂直方向，通过高速旋转产生垂直向上的升力，使飞行器能够顺利完成垂直起飞、降落与悬停动作，其原理与传统直升机的垂直起降过程相似。
   • 水平飞行模式：当需要进入水平飞行模式时，旋翼通过倾转机构改变角度，逐渐从垂直方向过渡到水平方向，从而将原本提供垂直升力的功能转换为水平推进力，推动飞行器向前飞行，实现飞行模式的切换。
   • 过渡模式：过渡模式主要依赖于旋翼倾转角度的连续变化。飞行器能够根据不同的飞行需求与状态，灵活调整旋翼的倾转角度，进而精确平衡升力与推力，确保在垂直起降与水平飞行模式之间实现平稳过渡。
2. 优势
   • 设计简洁性：相较于复合翼飞行器，其结构设计更为简单直接。无需复杂的固定翼结构与额外的推进系统切换机制，仅通过旋翼的倾转即可实现两种飞行模式的转换，降低了设计与制造的难度与成本。
   • 操作灵活性：具备更强的操作灵活性，能够在较短时间内快速切换飞行模式，适应不同飞行任务的需求。在复杂的飞行环境或紧急任务场景下，能够迅速调整飞行姿态与模式，提高任务执行的效率与成功率。
3. 缺点
   • 过渡动力学复杂性：在过渡过程中，由于旋翼需要快速转动并倾转，这将导致飞行器的动力学特性发生剧烈变化。例如，气动力分布的改变、惯性力的重新分布等，使得过渡过程的控制算法设计面临巨大挑战，需要精确考虑多种复杂因素，以确保飞行器的稳定性与安全性。
   • 高速效率问题：在高速飞行阶段，尤其是在高速巡航时，由于旋翼倾转后的空气动力学特性并非最优，飞行器常面临较大的空气阻力，从而导致飞行效率相对较低。与复合翼飞行器相比，其在长航程任务中的能源消耗较大，限制了其在长距离飞行应用中的优势发挥。

三、控制算法

（一）复合翼控制算法

1. 复杂度体现
   • 推力分配：依据飞行模式的不同，控制系统必须具备动态调整旋翼和固定翼推力的能力。在垂直起降模式下，旋翼承担主要的升力任务，此时需要确保旋翼提供足够的升力以克服飞行器重力并实现垂直方向的控制；而在水平飞行模式下，固定翼成为升力的主要提供者，螺旋桨则专注于提供水平推进力。在过渡过程中，控制系统需要根据飞行器的实时状态，如飞行速度、高度、姿态等信息，精确计算并逐步减少旋翼的推力，同时相应增加固定翼的推力，实现两者之间的平滑过渡，确保整个过程中飞行器的升力与推力始终处于平衡状态，避免出现升力不足或推力失衡导致的飞行事故。
   • 姿态控制：复合翼飞行器的姿态控制不仅涵盖常规的俯仰、横滚和偏航控制，还需充分考虑在飞行模式切换过程中，飞行器的升力和推力与重力之间的平衡关系。通常采用 PID 控制器来实现对俯仰、横滚、偏航角的精确调节。PID 控制器根据目标姿态角与当前姿态角之间的误差，分别计算比例、积分和微分项，并将三者相加得到控制输出，从而及时纠正姿态偏差，确保飞行器在各种飞行条件下均能保持稳定的姿态。例如，在遇到外界气流干扰时，PID 控制器能够快速响应，调整旋翼和固定翼的控制参数，使飞行器保持平稳飞行。
   • 过渡控制：从垂直起降模式到水平飞行模式的过渡控制是复合翼控制算法的核心难点之一。在这一过程中，控制系统需要确保旋翼推力与固定翼推力的平滑过渡，同时还要密切关注飞行器姿态的稳定性。任何微小的推力突变或姿态失衡都可能引发严重的飞行事故。因此，过渡控制算法需要综合考虑多种因素，如飞行器的动力学特性、空气动力学变化、传感器测量误差等，通过精确的数学模型与先进的控制策略，实现过渡过程的安全、稳定与高效。
2. 控制公式示例
   $$T_{rotor}(t)=T_{rotor}^{\text{max}}\left(1-\frac{t}{T_{trans}}\right)$$
   $$T_{wing}(t)=T_{wing}^{\text{max}}\left(\frac{t}{T_{trans}}\right)$$
   其中，$T_{rotor}(t)$ 表示在过渡时间 (t) 时旋翼的推力，$T_{rotor}^{\text{max}}$为旋翼的最大推力；$T_{wing}(t)$ 是在过渡时间 (t) 时固定翼的推力，$T_{wing}^{\text{max}}$为固定翼的最大推力；$T_{trans}$为过渡模式的总持续时间。该公式直观地展示了在过渡过程中，旋翼推力随时间逐渐减小，固定翼推力随时间逐渐增大的动态变化规律，为控制系统的设计与实现提供了重要的理论依据。

（二）倾转旋翼控制算法

1. 核心要点
   • 倾转角控制：旋翼的倾转角在倾转旋翼飞行器的飞行模式切换中起着决定性作用。倾转角控制算法直接决定了飞行器是处于垂直起降模式还是水平飞行模式，以及在过渡过程中的飞行状态。控制系统需要根据飞行器的飞行任务、当前状态（如速度、高度、姿态等）以及外部环境因素，实时精确地调节旋翼的倾转角，以实现升力与推力的动态平衡。例如，在垂直起飞时，倾转角保持为 $90^{\circ }$，确保旋翼提供最大的垂直升力；随着飞行速度的增加，逐渐减小倾转角，将部分升力转换为水平推力，直至达到水平飞行所需的倾转角，实现飞行模式的平稳切换。
   • 推力控制：在不同飞行模式下，倾转旋翼飞行器需要动态调整旋翼的推力大小。在垂直起降模式下，为了克服飞行器重力并实现垂直方向的控制，旋翼需要提供较大的推力；而在水平飞行模式下，随着倾转角的变化，旋翼的推力主要用于提供水平推进力，其大小也相应发生改变。控制系统通过精确计算和调节旋翼的转速、桨叶角度等参数，实现对旋翼推力的精准控制，确保飞行器在不同飞行模式下均能获得合适的推力，维持稳定飞行。
   • 姿态控制：与复合翼飞行器类似，倾转旋翼飞行器的姿态控制通常也采用 PID 控制器来实现对俯仰、横滚和偏航角的精确控制。在飞行过程中，PID 控制器根据目标姿态角与当前姿态角之间的误差，实时计算控制输出，调整旋翼的倾转角、推力大小以及其他相关控制参数，及时纠正因外界干扰或飞行模式切换导致的姿态偏差，保证飞行器的姿态稳定。例如，当飞行器受到侧风干扰时，PID 控制器通过调整旋翼的倾转角和推力，使飞行器保持水平飞行姿态，避免出现倾斜或偏离航线的情况。
2. 控制公式示例
   $$\theta (t)=\text{atan2}(T_{total},T_{vertical})$$
   其中，$T_{total}$为总推力，$T_{vertical}$为垂直方向的推力，$\theta (t)$ 为旋翼的倾转角。该公式表明了倾转角与总推力和垂直方向推力之间的数学关系，通过实时计算总推力和垂直方向推力，控制系统能够确定合适的倾转角，从而实现对飞行器飞行模式和姿态的有效控制。

四、过渡模式与飞行稳定性

（一）复合翼过渡控制

1. 关键要素
   • 升力与推力的平衡：在复合翼飞行器的过渡过程中，确保旋翼和固定翼的推力平衡是维持飞行器稳定的关键。随着飞行模式从垂直向水平逐渐过渡，旋翼的推力必须按照预定的控制算法逐渐减少，而固定翼的推力则要相应增加，以保证总升力始终能够平衡飞行器的重力，防止出现升力不足导致的下沉或推力失衡引起的飞行姿态失控现象。这需要控制系统精确地协调旋翼和固定翼的工作状态，根据飞行器的实时飞行参数（如速度、高度、加速度等）动态调整两者的推力分配，确保过渡过程的平稳性与安全性。
   • 动态响应：复合翼飞行器的过渡控制还需关注其动态响应特性。在过渡过程中，飞行器的飞行状态不断变化，如速度、姿态、气动力分布等均处于动态调整过程中。因此，控制算法需要具备快速响应能力，能够及时根据飞行器的状态变化调整控制参数，避免因控制滞后导致的姿态失稳或其他飞行事故。例如，当飞行器在过渡过程中遇到突发的气流扰动时，控制系统应能迅速感知并调整旋翼和固定翼的推力与姿态，确保飞行器能够在短时间内恢复稳定飞行状态。

（二）倾转旋翼过渡控制

1. 主要特点
   • 倾转角的实时调整：倾转旋翼飞行器的过渡控制核心在于倾转角的实时调整。通过精确控制旋翼的倾转角，实现从垂直飞行到水平飞行的平稳切换。在过渡过程中，控制系统根据飞行器的飞行任务、速度、高度等信息，按照预定的控制策略逐步改变旋翼的倾转角，将垂直升力逐渐转换为水平推力，同时确保飞行器的推力平衡。例如，在起飞初期，倾转角保持垂直，随着飞行速度的增加，倾转角逐渐减小，使旋翼的推力方向逐渐从垂直向上转变为水平向前，实现飞行模式的无缝过渡。
   • 过渡期间的稳定性：倾转旋翼飞行器设计的一个显著优势在于其能够相对快速地从垂直起降模式切换到水平飞行模式，且在过渡过程中不需要复杂的推力过渡控制。这主要得益于其独特的旋翼倾转机构，通过简单地改变旋翼角度，即可实现升力与推力方向的转换，从而减少了因推力分配复杂变化带来的不稳定因素。然而，尽管过渡过程相对简单，仍需控制系统精确控制倾转角的变化速率与幅度，确保在过渡期间飞行器的姿态稳定，避免因倾转角变化过快或过大导致的飞行事故。

五、性能对比

特点	复合翼飞行器	倾转旋翼飞行器
飞行模式	垂直起降和水平飞行	垂直起降和水平飞行
推力分配	根据飞行模式切换推力分配（旋翼和固定翼）	通过旋翼倾转来控制飞行模式转换
控制复杂度	较高，需要精细控制过渡模式，姿态稳定和升力平衡	相对简单，倾转角控制是核心
飞行效率	水平飞行效率较高，适合长航程任务	水平飞行效率相对较低，适合短航程任务
稳定性	过渡模式较为复杂，飞行稳定性可能受控制精度影响	稳定性较好，过渡模式控制简单，迅速切换
适用场景	适合长时间航行，要求高速、长航程的应用场景	适合需要快速垂直起降和灵活操作的应用场景

六、总结

1. 复合翼飞行器：复合翼飞行器通过巧妙融合旋翼的垂直起降能力与固定翼的高速巡航能力，在航空领域展现出独特的优势。其适用于对飞行效率和长航程有较高要求的应用场景，如远程物流运输、长时间的航拍作业以及跨区域的巡逻任务等。然而，其控制系统的复杂性也带来了诸多挑战，需要在设计与研发过程中投入大量精力进行精细的过渡模式调节，以确保飞行器在各种飞行条件下均能实现稳定过渡，保障飞行安全与任务执行的可靠性。
2. 倾转旋翼飞行器：倾转旋翼飞行器以其相对简单的设计结构脱颖而出，通过旋翼的倾转角灵活切换飞行模式，特别适合于需要快速垂直起降和灵活操作的任务场景，如城市应急救援、短距离的人员运输以及特定区域的快速侦察等。尽管其在过渡控制方面相对简单，但在高速飞行效率方面存在一定局限性，这在一定程度上限制了其在长航程任务中的应用范围。在实际应用中，需要根据具体的任务需求与环境条件，综合考虑两种飞行器的特点与性能，选择最为合适的飞行器类型，以实现最佳的飞行效果与任务执行效率。