無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起降控制及試飛驗(yàn)證

葉文輝

摘要：本文針對(duì)無(wú)人直升機(jī)近地懸停與脫離地效懸停之間不同的飛行特點(diǎn)，進(jìn)行了單旋翼帶尾槳無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起飛與著陸控制策略研究，提出了一種無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起飛與著陸控制方法及控制流程圖，并在某型500kg級(jí)無(wú)人直升機(jī)上進(jìn)行了試飛驗(yàn)證，結(jié)果表明所提出的控制方法達(dá)到了預(yù)期控制精度要求。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人直升機(jī) 自動(dòng)起降 試飛驗(yàn)證

無(wú)人直升機(jī)不僅能垂直起降，還能實(shí)現(xiàn)空中定點(diǎn)懸停，軍事上豐富了戰(zhàn)場(chǎng)偵察、通信中繼、目標(biāo)搜尋等手段，民用方面可用于構(gòu)建多維度的海事巡查等。無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行自動(dòng)起飛與著陸（簡(jiǎn)稱自動(dòng)起降）時(shí)間短，耦合性與非線性強(qiáng)，控制難度大。期間不僅要保證無(wú)人直升機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)，在不同飛行階段還需運(yùn)用不同的控制策略以確保無(wú)人直升機(jī)起降安全、位置偏差和升降速度滿足要求。

1自動(dòng)起降過(guò)程的控制要求

要實(shí)現(xiàn)較好的無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起降過(guò)程控制，關(guān)鍵在總距通道的控制。而強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)導(dǎo)致起降過(guò)程中還必須考慮總距控制對(duì)其他通道控制上造成的影響。起降過(guò)程因其狀態(tài)變化很小，狀態(tài)耦合造成的影響可以不用考慮。所以基于工程控制的實(shí)際要求，在設(shè)計(jì)自動(dòng)起降控制策略與高度通道控制律時(shí)僅僅將操縱耦合考慮在內(nèi)。

在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)里，將其劃歸為五個(gè)主要控制通道，即縱向控制通道、橫向控制通道、尾槳控制通道、高度控制通道和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制通道。為了確保無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起降時(shí)不發(fā)生側(cè)翻并減小側(cè)偏距離、爬升過(guò)程平穩(wěn)，控制系統(tǒng)對(duì)每個(gè)控制通道都都有較高的精度要求：

（1）離地與觸地瞬間，無(wú)人直升機(jī)的縱向力矩和橫向力矩呈平衡狀態(tài)，且離地與觸地過(guò)程中姿態(tài)角必須在限定的范圍之內(nèi);

（2）自動(dòng)起降提距與降距過(guò)程中易產(chǎn)生共振，對(duì)俯仰角速率和滾轉(zhuǎn)角速率最大值進(jìn)行限制;

（3）限制最大位置偏差和航向偏差，起降過(guò)程位置偏差≤5m，航向保持精度：+3°;

（4）高度變化過(guò)程中的升降速度限制。

2控制策略

為較好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起降控制，定義了三個(gè)起降控制狀態(tài)，分別是：起飛準(zhǔn)備、自動(dòng)起飛、自動(dòng)著陸。

2.1自動(dòng)起飛控制

將自動(dòng)起”飛過(guò)程分解為兩步完成：第一步為控制無(wú)人直升機(jī)快速提升總距直到飛離地面，預(yù)期目的為防止離地瞬間出現(xiàn)側(cè)翻或側(cè)向位置漂移;第二步為飛離地面后平穩(wěn)爬升到預(yù)設(shè)離地高度，并進(jìn)行自動(dòng)懸停。以下為詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法：

（1）自動(dòng)提距：為了消除無(wú)人直升機(jī)在起飛階段由于提距過(guò)慢導(dǎo)致的振動(dòng)偏大現(xiàn)象，因而此過(guò)程總距快速提升。

（2）離地爬升：判斷無(wú)人直升機(jī)是否飛離地面，若飛離地面則接入高度通道控制律。

（3）定速爬升：提升爬升速度，最大爬升速度限制為1.5m/s，若無(wú)人直升機(jī)爬升到預(yù)設(shè)離地高度則接入懸停控制律，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)懸停，并完成高度通道的自主控制。

2.2自動(dòng)著陸控制

自動(dòng)著陸具體控制策略如下：

（1）下滑階段：關(guān)閉懸停控制律，啟動(dòng)垂向速率控制律，快速由懸停點(diǎn)下降到安全高度，最大下降率設(shè)定為1m/s。

（2）自動(dòng)著陸：1.根據(jù)無(wú)人直升機(jī)與著

陸點(diǎn)的相對(duì)位置偏差實(shí)時(shí)調(diào)整其位置，使位置偏差滿足要求;2.依據(jù)起落架的承載能力，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)升降速度至限定范圍之內(nèi)，避免對(duì)起落架造成損壞。

（3）地面降距：判斷無(wú)人直升機(jī)是否著陸，著陸后快速降低總距，并關(guān)閉各個(gè)通道控制律。

3飛控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)有地效和無(wú)地效的不同飛行特性和自動(dòng)起降控制策略，為保證不同狀態(tài)的平滑過(guò)渡，飛控軟件設(shè)計(jì)如圖1.圖2、圖3所示。高度通道控制律結(jié)構(gòu)如圖4。

4半物理仿真

將設(shè)計(jì)的控制策略與控制律進(jìn)行半物理仿真，該半物理仿真系統(tǒng)使用的飛控計(jì)算機(jī)與某型無(wú)人直升機(jī)機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)硬件一致、自動(dòng)起降控制以外控制策略一致，得到仿真結(jié)果如圖所示。自動(dòng)起飛仿真結(jié)果見(jiàn)圖5-圖6，自動(dòng)著陸仿真結(jié)果見(jiàn)圖7-圖8。

5試飛驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的控制方法及控制流程實(shí)際控制效果如何，在某型500kg級(jí)無(wú)人直升機(jī)上進(jìn)行了試飛驗(yàn)證，試驗(yàn)當(dāng)日平均風(fēng)速小于3m/s。其中自動(dòng)起飛試飛結(jié)果見(jiàn)圖9-圖10，自動(dòng)著陸試飛結(jié)果見(jiàn)圖11-圖12。

6總結(jié)

從試飛結(jié)果看：

（1）自動(dòng)起降過(guò)程中過(guò)渡過(guò)程和高度變化曲線平滑，達(dá)到預(yù)期控制效果;

（2）姿態(tài)平穩(wěn)，姿態(tài)角變化符合控制要求;

（3）縱向與橫向位置均在2m以內(nèi);

（4）升降速度誤差小于+0.2m/s。

因此，所提出的自動(dòng)起降控制方法達(dá)到了預(yù)期精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]高保方，曾國(guó)貴，廖智麟。小型無(wú)人直升機(jī)自動(dòng)起降控制技術(shù)研究及驗(yàn)證[J].直升機(jī)技術(shù)，2013（01）.