新型涵道無人飛行器飛行控制策略研究

摘 要：飛機作為一種新型交通工具興起的時間并不長，但卻由于發展迅速而被人類所熟悉。但是，居民在生活中乘坐的往往是有人駕駛的飛機，無人飛行器通常用在軍事方面，因此知曉的人并不多。正因為是無人駕駛，所以無人飛行器必須在飛行前就制定好詳細飛行的策略。于是，本文針對無人飛行器研究一套合理的飛行策略。

關鍵詞：無人飛行器；涵道；控制策略；飛行；研究

中圖分類號：V249.122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

早在多年前飛機就已經被發明出來，但是無人飛行器卻是近些年才發明出來的。尤其在我國，無人飛行器是近10年才被研制出來。而且，跟民用飛機比，無人飛行器被定位成軍用飛機，因此居民只能在媒體上看到無人飛行器。正是由于無人飛行器非常的先進，所以它的飛行策略在制定的時候非常精細。本文針對無人飛行器研究了一套合理的飛行策略。

一、無人飛行器具體位置控制的設計

在導航控制中，位置控制非常重要[3]。位置控制主要用來控制方位和航跡。現實中如果飛行速度偏慢的時候，傳感器（GPS）測到的涵道飛行器實際所處位置精度常常不準確。所以，為了使位置精度顯著增加，本文將組建新型導航系統。這種導航系統是在GPS中加入IMU（慣性測量元件）。位置控制公式具體如下：

假如位置控制要讓飛行器飛到要求的位置，具體飛行過程是：首先，飛行器會返回一個現在位置的信號；接著，實際位置與要求位置兩者的信號會自動做減法處理，就得出一個誤差信號；然后，這個誤差信號就會迅速通過PI控制器，誤差信號就被當成飛行器速度發給飛行器；最后，依照這個速度飛行器飛到控制位置要求的位置。總而言之，位置控制就是為了使飛行器達到要求位置的過程中更加的快速和平穩。

二、無人飛行器具體高度控制的設計

螺旋槳轉速跟飛行器高度有著必然的聯系。這種聯系可以用函數表示：（1）飛行器舵機遭受侵擾時，下方氣流難免會發生紊亂。假如下方氣流有減速的趨勢，那么飛行器就易產生掉高現象。所以，要把舵機的補償函數加到轉速控制量當中；（2）飛行中，控制舵機有必要抵消掉反扭矩。所以，最好把轉速的補償函數加到航向通道當中；（3）假如飛行器需要做側飛運動，推力也就隨之出現方向改變，飛行速度也會受推力影響而改變。因此，最好將轉速的補償函數加到水平速度當中。

高度控制目的是：使飛行器達到要求高度的過程中更加的快速和平穩。具體過程是：首先，高度控制選取的是雙閉環回路，雙閉環包括內回路與外回路兩種，內回路主要返回飛行器垂向速度，外回路主要反饋飛行器高度；其次，內回路是為了讓垂向速度更為穩定，這樣垂向速度就不至于由于高度變化而迅速變動，外回路會讓系統可以準確報出飛行的實際高度；再次，實操中飛行器會返回一個現在高度的信號，實際高度與要求高度兩者的信號會自動做減法處理，就得出一個誤差信號；最后，這個誤差信號會迅速通過PI控制器，然后跟垂向速度再次做減法處理，這時得到的就是轉速控制量，依照這個轉速飛行器逐漸飛到要求的高度。高度控制圖具體如圖1：

三、無人飛行器增穩以及姿態回路的設計

（一）控制解耦的具體設計。所謂解耦系統，就是每一個輸入都有一個輸出與之對應，由這些諸多的單輸入輸出共同組成一個解耦系統。設計控制律的時候往往借助PID法，所以解耦系統很簡單、很容易分析。借助于解耦的基礎原理，本文將多通道、耦合性高的耦合系統轉換成解耦系統來研究。現實中，涵道飛行器的耦合狀況體現在：航向通道跟垂向速度之間，橫向以及縱向的通道之間。實際中，解決耦合的辦法也很簡單，只需選擇前饋補償方式就能順利解耦。而采用2個獨立單變量閉環就能實現縱橫向的閉環控制回路[1]。

（二）增穩回路的具體設計。不穩定是涵道飛行器極為突出的特征，因此增穩控制就顯得尤為重要。本文的增穩系統實質是：線加速度以及角速度共同構成的阻尼回路。不止如此，還能對線加速度以及角速度做積分處理，能得出速度與姿態的兩種信號，然后可把積分處理后速度、姿態的兩者信號與速度、姿態兩者的傳感器信號加以融合和對比。總而言之，系統實施了增穩處理以后，無論是縱向通道還是航向通道，都明顯比沒有增穩處理前更趨于穩定。所以，阻尼回路的應用對于增穩控制有很實際的作用與效果。

（三）姿態回路的具體設計。解耦控制后，可利用已分離的俯仰和滾轉通道做獨立的單變量閉環控制[2]。系統回路中，滾轉、俯仰都屬于內回路。參照實際的飛行要求，滾轉、俯仰能充分控制實際位置以及實際速度，讓飛行器停留在要求的某種姿態。

實際中，假如姿態角速度是0，那么姿態角不會變；假如姿態角速度不等于0，那么姿態角的狀況立即變化。操作時，地面站會給定一個姿態信號，姿態角信號馬上跟這個姿態信號做疊加，一直疊加到回路輸入的端口處。接著，再跟姿態角速度繼續做疊加處理，姿態角改變的同時角速度也在變，直到角速度變到0為止，飛行器就會呈現出新的平衡態。

四、結束語

在我國，無人飛行器是很前沿的軍用飛機。因為無人飛行器最大的特征是無人駕駛，所以無人飛行器必須在飛行前就制定好詳細飛行的策略。綜上，本文研究一套合理的飛行策略。該策略涵蓋了無人飛行器在穩定、高度、姿態以及位置4個方面的飛行策略。

參考文獻：

[1]謝建國.新型涵道無人飛行器飛行控制策略研究[D].南京航空航天大學，2013.

[2]任曉璐.涵道式無人飛行器系統的建模以及飛行控制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

[3]王夢，謝建國，夏鵬偉.新型涵道無人飛行器基本控制律設計[J].電子設計工程，2012（17）：23-36.