三角飛翼太陽能無人機及其姿態控制設計

劉東輝 杜亞昆 奚樂樂 佟麗娜

摘 要：無人機飛翼布局形式決定了它有諸多獨特的技術優勢，所以世界上出現了很多先進的無人機飛翼布局形式。本次課題為了設計能適應長時間飛行且氣動性能優越的飛翼布局無人機，擬將太陽能供電技術給無人機提供動力源，設計一種三角飛翼布局的太陽能無人機，并對其進行姿態控制系統設計以得到更好的設計效果。

關鍵詞：三角飛翼；太陽能；無人機；姿態控制

引言

隨著無人機在軍事和民用領域發揮越來越重要的作用，無人機技術的發展得到了很多國家的重視。飛翼布局無人機有諸多獨特的技術優勢，所以世界上很多先進無人機采取飛翼布局形式。

太陽能飛機是以太陽光輻射能為能源的電推進飛行器，具有巡航時間長、飛行高度高、成本低等特點，而且可以靈活執行多種任務，清潔無污染。目前世界上還沒有實用的太陽能飛行器，且將太陽能動力與飛翼氣動布局相結合的案例寥寥無幾，各國相關的科學研究正在持續進行中。

1 整機方案的確定

飛翼結構無機身、無水平尾翼和垂直尾翼，從機體結構看，機體內部空間可以得到最大限度利用。這種結構的設計不僅有利于增加結構強度而且還可以減少結構重量，并且可以承受高機動產生的過載力。從氣動外形看，翼身融為一體，使整架飛機作為一個升力面，這樣可以較大的增加升力。同時這種翼身相結合的結構可以大幅度降低干擾阻力和誘導阻力。總體說來，無尾飛翼布局一體化設計，可大大增升減阻，減少重量和翼載荷，對提高續航時間和機動性等飛行性能極為有效。

2 姿態控制系統設計

2.1 姿態測量和傳感器校正

陀螺儀和加速度模塊主要由MPU-6050及其周圍電路組成。由于實驗條件限制，傳感器的校正只有一項，即加速度計。靜態時加速度計測的是等效重力加速度場。加速度計測量的對象是比力，也就是等效重力加速度和運動加速度的和，當靜止時，運動加速度為0，加速度計的測量值為等效重力加速度，可以利用這一點校正加速度計。加速度計的校正的思路為：對測量值平移和縮放，把測量值擬合到重力加速度。所以校正加速度計的整體流程為：測量一批靜態數據，要盡可能在球面上分布均勻，然后用這批數據生成方陣，然后求方程的近似解，最后得到校正參數。

有了傳感器的數據，就可以用來計算姿態。計算姿態主要用到兩個傳感器：陀螺儀、加速度計。加速度計測量對象為比力，受運動加速度影響大。而陀螺儀則受外部的影響弱，穩定性好，但輸出量為角速度，需積分才能得到姿態，無法避免誤差的累積問題。為了得到穩定的、近實時的姿態，對各傳感器的數據取長補短，本設計采用互補濾波法，如圖1。

Mark Euston 提出了運算量比梯度下降法更小的互補濾波法。相比梯度下降法用加速度算姿態的梯度，互補濾波法是把加速度誤差構造成糾正旋轉，疊加到陀螺測出的角增量上，實現高效的數據融合。陀螺儀和加速度模塊主要由MPU-6050及其周圍電路組成。由于實驗條件限制，傳感器的校正只有一項，即加速度計。靜態時加速度計測的是等效重力加速度場。加速度計測量的對象是比力，也就是等效重力加速度和運動加速度的和，當靜止時，運動加速度為0，加速度計的測量值為等效重力加速度，可以利用這一點校正加速度計。加速度計的校正的思路為：對測量值平移和縮放，把測量值擬合到重力加速度。

2.2 姿態控制

根據被控姿態的表示方式，分為歐拉角控制和四元數控制。為了避免復雜的精確動力學建模，選用PID 控制器。若選用歐拉角來控制姿態，每次控制都要計算三次三角函數，運算量很大。為了避免三角函數，可直接用姿態四元數來控制。思路為先求姿態差，再把姿態差輸入到PID控制器，來輸出舵機旋轉角變化量。當前姿態記為c，目標姿態記為t，從當前姿態轉到目標姿態的旋轉，即姿態差，記為d，則有：

假定姿態差為小量，三角函數可以用小角替換，根據四元數表示姿態的意義，xd、yd和zd為各軸旋轉角的一半，可以作為PID 的輸入：

2.3 算法效果

主要針對加速度計進行了校正。再比較校正前后的長度誤差分布，校正前的相對誤差分布如圖2，校正后的相對誤差分布如圖3。

3 結束語

文章詳細論述了姿態控制系統的設計方案和算法，從傳感器校正、數據融合、姿態控制、算法效果和最終的試飛狀況，充分地展示了姿態控制系統對整個無人機的輔助穩定作用。通過對姿態控制系統的設計、分析與大量計算，飛機的可操控性達到了較為理想的狀態，整體效率也有所提高，基本達到設計目標。

參考文獻

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作者簡介：杜亞昆（1989-），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：電機電器的智能控制。