某后推式全動平尾電動手拋無人機(jī)的定高控制設(shè)計(jì)

摘 要： 對后推式全動平尾電動手拋無人機(jī)的定高飛行控制技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)飛行控制系統(tǒng)理論，對無人機(jī)的飛行控制律進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典的PID控制方法，設(shè)計(jì)了無人機(jī)的縱向控制律，同時針對實(shí)際飛行中高度受油門變化擾動很大，提出使用高度?油門控制環(huán)路對縱向控制進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣邿o人機(jī)的高度控制精度，并在某小型電動手拋無人機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際飛行驗(yàn)證，飛行結(jié)果表明高度控制方法合理、有效，有廣泛的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)； 電動； 定高； 高度控制

中圖分類號： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0013?03

Abstract： UAV fixed altitude fight control technology with pushback stabilator and electric hand?fling is studied. UAV flight control rules were designed according to flight control system theory. Then on the basis of it， UAV longitudinal control rules were designed by using classic PID control. Since the large disturbance is generated when the altitude is changeable with accelerator in actual flight， the method which adopts altitude?accelerator control loop to compensate longitudinal control is proposed to improve UAV altitude control precision. The actual flight verification is conducted on a small electric hand?fling UAV. Flight results show that the altitude control method is reasonable and effective， and it has extensive reference significance.

Keywords： UAV； electric driven； fixed altitude； altitude control

0 引 言

小型電動無人機(jī)以電池作為動力，最大起飛重量一般在幾千克之內(nèi)，可采用手拋或彈射起飛，回收方式有滑降、傘降或深失速著陸。小型電動無人機(jī)有成本低，機(jī)動性強(qiáng)，攜行性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合單兵作戰(zhàn)，近年來在國內(nèi)受到了很大的重視[1?4]。

通常，無人機(jī)需要在保持高度、速度狀態(tài)下飛行，另外根據(jù)任務(wù)需要還要定迎角、定傾斜角飛行[1?4]。定高飛行是小型無人機(jī)基本控制模態(tài)之一，它對系統(tǒng)的安全以及任務(wù)能力影響非常大。無人機(jī)定高飛行通過對縱向通道控制來實(shí)現(xiàn)，縱向控制包括速度控制，俯仰控制和高度控制。縱向控制機(jī)構(gòu)主要有2個，升降舵和油門舵。理論上，可設(shè)計(jì)高度偏差?升降、速度偏差?油門回路實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的縱向控制。在實(shí)際工程中，各個通道之間往往存在很大的耦合，特別是螺旋槳后置、全動平尾的無人機(jī)。全動平尾效率高，螺旋槳后置后，如全動平尾處于電動螺旋槳洗流里面，在飛行過程中電動機(jī)與螺旋槳轉(zhuǎn)速時變，對縱向的擾動很大。同時，在小型電動無人機(jī)設(shè)計(jì)中追求降低起飛速度以提高手拋或彈射起飛的安全性，從而在增大機(jī)翼面積和減小重量方面進(jìn)行折中。在小型無人機(jī)上，推力線、重心與氣動焦點(diǎn)之間的關(guān)系存在很大的關(guān)聯(lián)，隨著油門、姿態(tài)以及風(fēng)場的變化對無人機(jī)的控制會造成很大的干擾，給精確定高飛行控制造成很大的麻煩。本文，主要針對小型電動后推式全動平尾電動手拋無人機(jī)進(jìn)行高度控制算法設(shè)計(jì)。

1 控制原理

固定翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)通常帶有副翼舵、方向舵、升降舵和油門舵等控制機(jī)構(gòu)，對應(yīng)俯仰、航向、傾斜以及速度控制通道等。在無人機(jī)飛控的設(shè)計(jì)中要考慮各個通道的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性，在增穩(wěn)控制中，通常分縱向通道、橫向通道來進(jìn)行設(shè)計(jì)。縱向通道可以控制無人機(jī)的俯仰角、高度和速度等；橫向通道可以控制無人機(jī)的傾斜角、航向角以及偏航距等，一般無人機(jī)的總體控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

無人機(jī)的模式或應(yīng)用都是在增穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上對這些功能進(jìn)行組合。

飛行高度的控制一般通過調(diào)整升降舵來實(shí)現(xiàn)，對于一些大飛機(jī)，可以通過改變發(fā)動機(jī)油門來控制飛機(jī)的高度。高度的內(nèi)環(huán)一般是俯仰控制，在俯仰控制中，通常引入俯仰角速率反饋來增強(qiáng)無人機(jī)飛行的姿態(tài)穩(wěn)定性，這實(shí)際上是一種串聯(lián)控制，主要針對系統(tǒng)中的高度響應(yīng)速度慢而俯仰角響應(yīng)速度快的情況。

控制律的初始設(shè)計(jì)是在模型線性化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對于控制律設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法種類較多，既有基于經(jīng)典控制理論的各種線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，又有基于現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的各種線性、非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如：根軌跡法、極點(diǎn)配置法、頻域方法、模型跟蹤法、最優(yōu)控制方法、自適應(yīng)方法、動態(tài)逆方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。在無人機(jī)的增穩(wěn)控制中，比較經(jīng)典的控制方法是PID算法或者基于PID算法的延伸算法。PID控制是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的反饋控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動控制中[3]。

具有負(fù)反饋的基礎(chǔ)PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在這個控制結(jié)構(gòu)中，飽和前、負(fù)反饋之后的主要數(shù)學(xué)公式如下：

[upresat（t）=up（t）+ui（t）+ud（t）] （1）

其中，比例部分公式如下：

[up（t）=Kpe（t）] （2）

積分公式如下：

[ui（t）=KpTi0te（?）d?+Kcu（t）+upresat（t）] （3）

微分公式如下：

[ud（t）=KpTdde（t）dt] （4）

在具體的工程實(shí)現(xiàn)中，需要把連續(xù)量離散化，離散后對PID的公式進(jìn)行整理如下：

[upresat（k）=up（k）+ui（k）+ud（k）] （5）

[up（k）=Kpe（k）] （6）

[ui（k）=ui（k-1）+KpTTie（k）+Kcu（k）+upresat（k）] （7）

[ud（k）=KpTdTe（k）-e（k-1）] （8）

在工程中，取[Ki=TTi，][Kd=TdT，]則：

[ui（k）=ui（k-1）+Kiup（k）+Kcu（k）+upresat（k）] （9）

[ud（k）=Kdup（k）-up（k-1）]

式中：[Kp，Ki，Kd，Kc]就是控制系統(tǒng)中需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)控制律通常設(shè)計(jì)途徑是首先對控制對象進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型建模，引入多回路的傳遞函數(shù)，對整個控制回路進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定飛控系統(tǒng)的各傳遞函數(shù)[1]。

無人機(jī)飛行過程中具有非線性、時變、不確定的特點(diǎn)，難以確定精確的數(shù)學(xué)模型。而且，實(shí)際飛行中，由于受參數(shù)整定方法繁雜的困擾，參數(shù)往往整定不佳。同時小型無人機(jī)的氣動數(shù)據(jù)不足，不足以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，補(bǔ)充氣動數(shù)據(jù)通常需要大量的時間、人力、物力。在實(shí)際的控制律設(shè)計(jì)中，考慮到小型手拋固定翼無人機(jī)具有較高的靜穩(wěn)定性，通常以基本反饋回路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的控制律，簡化飛機(jī)的控制律設(shè)計(jì)過程，并通過實(shí)際試飛調(diào)整，可以直觀、迅速地確立校正方程的參數(shù)，同時可大大降低研制成本。小型手拋無人機(jī)縱向控制基本回路包括俯仰姿態(tài)保持模態(tài)和高度保持模態(tài)。

俯仰姿態(tài)保持模態(tài)由俯仰角反饋回路和俯仰角速率反饋回路構(gòu)成，其控制律可以表示[3]為：

[u=K?z（?c-?）-Kωzzωz] （10）

采用PID控制結(jié)構(gòu)，[K?z=Kp?+Ki?（1/s）+Kd?s；][Kωzz]為阻尼回路增益。

無人機(jī)高度控制系統(tǒng)的控制律可以表示為：

[u=K?z（?c-?）-Kωzzωz+KHz（Hc-H）-KHzH] （11）

采用PID控制結(jié)構(gòu)[K?z=Kp?+Ki?（1s）+Kd?s，]

[KHz=KpH+KiH（1s）+KdHs。][Kωzz，][KHzz]為阻尼回路反饋增益。

以上是基本的控制回路，但是實(shí)際工程中，需要進(jìn)行很大的調(diào)整和改進(jìn)，以下以某小型電動手拋無人機(jī)為例進(jìn)行高度控制設(shè)計(jì)，該無人機(jī)重量在2 kg左右，采用全動平尾、螺旋槳后置，方向舵和全動平尾在槳葉后面，它的特點(diǎn)如下：

（1） 尺寸非常小，結(jié)構(gòu)緊湊，法向與前向重心不易調(diào)整，而重心對平臺特性影響非常大，整個系統(tǒng)對重心異常敏感；

（2） 電動機(jī)與螺旋槳高置，它的推力線、重心與氣動焦點(diǎn)之間的關(guān)系存在很大的關(guān)聯(lián)，不易調(diào)整；

（3） 采用全動平尾，效率非常高，全動平尾以及方向舵受電動機(jī)螺旋槳洗流干擾嚴(yán)重。在飛行過程中電動機(jī)與螺旋槳轉(zhuǎn)速時變，造成平臺的操縱特性更加復(fù)雜。

該無人機(jī)舵面操縱效率高，響應(yīng)快，在不同油門狀態(tài)下，同樣的響應(yīng)，操縱會有很大的偏差。針對該無人機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合平臺操控與響應(yīng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對控制律進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合平臺的不同模態(tài)的響應(yīng)特性對控制律的設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)分，并通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最后采用的高度環(huán)路控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

縱向通道基本回路不變，仍然采用高度?俯仰外環(huán)和俯仰控制內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)。考慮到油門與縱向的耦合，借鑒大飛機(jī)設(shè)計(jì)中的油門?高度環(huán)路設(shè)計(jì)思想，把油門控制中增加了高度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，通過高度補(bǔ)償，達(dá)到能量平衡控制目的。

在設(shè)計(jì)中，考慮到各個通道的響應(yīng)速度，對不同的受控對象采用不同的控制頻率。在PID設(shè)計(jì)中，采用變參控制，提高了控制品質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

定高飛行是該無人機(jī)的主要控制需求之一，在該型無人機(jī)的控制律中引入了油門、高度補(bǔ)償控制后實(shí)際定高飛行曲線如圖4，圖5所示。

圖4是根據(jù)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)時記錄的飛行數(shù)據(jù)采用專用分析軟件繪制的飛行高度?油門?飛行模式曲線。在定高飛行模式下，大約飛行1 800 s，取樣本量22 500個數(shù)據(jù)，在該曲線中，高度保持很好。

圖5是截取飛行中大約200 s定高飛行數(shù)據(jù)繪制的高度?俯仰角?油門曲線，對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以算出高度均方差為2.3 m，絕對誤差為7 m，俯仰角配合高度自動調(diào)整，油門隨高度變化自動調(diào)整，油門范圍為44～51。從圖上可見該系統(tǒng)很好地完成了定高功能。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)針對小型后推式全動平尾電動手拋無人機(jī)實(shí)際飛行中高度控制受油門變化擾動較大的問題，在傳統(tǒng)飛行控制律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了使用高度?油門控制環(huán)路對縱向控制進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣邿o人機(jī)的高度控制精度，并在某小型電動手拋無人機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際飛行驗(yàn)證。飛行結(jié)果表明該高度控制方法合理、有效，對于電動手拋型無人機(jī)，特別是對平尾處于螺旋槳尾流里面的后推式小型無人機(jī)具有廣泛的借鑒意義。

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