自轉式無人旋翼機飛行控制技術研究

崔津銘 史振良

摘 要：無人駕駛自轉旋翼機，簡稱無人旋翼機，是一種以自轉旋翼作為升力面，螺旋槳推/拉力為前進動力的旋翼飛行器，具有其獨特的優點：可以短距離起飛著陸且起飛著陸的速度很低，容易保證起飛著陸的安全；操縱靈活，無動力下滑能力強，飛行中不會失速；旋翼機結構簡單，不需安裝昂貴笨重的減速器等傳動機構，也不需要復雜的槳距/油門協調操縱機構以及液壓助力系統等，且自轉旋翼氣動效率高，自轉工作狀態好，振動水平和噪聲都比直升機小。基于此，本文主要對自轉式無人旋翼機飛行控制技術進行分析探討。

關鍵詞：自轉式無人旋翼機；飛行控制；技術研究

1 前言

無人旋翼機滑跑起飛的關鍵是縱橫向姿態保持和側向滑移控制，以及垂向爬升速度控制，避免離地前姿態角過大和側向滑移引起觸地傾翻。滑跑起飛要求無人旋翼機自動保持平衡狀態起飛，姿態限制在約束范圍內，離地時姿態變化很小，反饋控制量較弱。因此，筆者提出一種縱橫向利用地面支撐力、姿態和滑移反饋控制，并通過高度指令牽引控制升降速度的自主滑行起飛策略，并在某無人旋翼機試飛試驗中被成功應用。

2 起飛控制策略

首先，離地前旋翼拉力尚不足拉起飛機，多余部分重力通過前輪和主輪卸載到地面上，地面支撐力、飛機重力和旋翼拉力維持力和力矩平衡，前輪與主輪先后離地，飛機逐漸失去地面約束，僅由重力、發動機推力和旋翼拉力產生力矩，而發動機推力在飛機對稱面內與機體軸縱軸平行，因此，要求無人旋翼機起飛時旋翼拉力盡量保持在縱向對稱面內，以免離地后滾轉力矩失去平衡，引起側向滑移，導致起飛觸地；其次，離地前，由于地面約束無法借助俯仰角反饋控制旋翼拉力產生的俯仰力矩，為此在主輪起落架和后輪安裝力傳感器感受地面垂向力。離地前要求左右2個主輪受到地面支撐力相等，后輪保持懸空，即

、

離地爬升后，失去地面約束，無法再利用地面支撐力反饋控制，故引入姿態及側向位移反饋抑制姿態變化及橫側向滑移。

kNr為后輪直接力反饋系數，kq為俯仰角速率阻尼反饋系數，w為外界風擾動，Gθ（s）為俯仰姿態控制器，GH（s）為高度控制器，δT為發動機油門舵操縱量，δe為槳盤縱向俯仰操縱量，協調輸出機構根據實驗擬合數據，得出旋翼拉力與發動機推力的間接關系，給出δT與δe的輸出量，保證俯仰姿態平衡。機輪受地面的摩擦為滑動摩擦，對飛機姿態影響很小，忽略不計。對于縱向控制，只需要保持姿態平穩，飛機就可平穩爬升。對于橫側向，除了保持姿態平穩，側向滑移的抑制更為重要。kNy為主輪直接力反饋系數；pk為滾轉角速率反饋系數；vk為側滑速率反饋系數；rk為偏航角速率反饋系數；w為外界風擾動；Gφ（s）和Gψ（s）為姿態控制器；Gyφ（s）和Gyψ（s）為滑移控制器；δa為槳盤橫向滾轉操縱量；δr為方向舵操縱量。滾轉姿態角φ受強約束，引入變參數飽和環節Mφ，其特性為

φi和φo分別為該環節的輸入和輸出。離地后，Mφ使得控制器在姿態約束的前提下抑制滑移。地面支撐力、姿態和滑移控制共同確保起飛平穩，兩者相互補充。高度控制的穩定性對起飛安全也至關重要，但在地面滑行階段旋翼拉力還不足以拉起飛機，若直接采用高度閉環控制，易導致離地升降速度較大，不利于起飛安全，故不宜直接采用高度閉環策略。

3 地面小高度滑跑起飛試驗

小高度試飛即飛行高度較小，以驗證控制方案的有效性。對象無人旋翼機重150kg，單片槳葉長4m。試飛環境為：跑道場地平坦近似無坡度，風速約3.9r/min。考慮風轉旋翼的特點，在選擇滑跑起飛方向上，盡量選擇與風速平行的方向迎風起飛，減少機體所受的側風。試驗前，開啟發動機，并將旋翼預轉達到40r/min左右，開始遙測數據接收計時，然后發出指令讓飛機加大油門，增加發動機推力，進行自主滑跑起飛。當爬升到40m高度，飛機進入平直飛狀態，然后開啟地面控制，操縱飛機返航降落。接收遙測數據，繪制飛機自主起飛段的相對高度、槳盤和機身俯仰角以及側向運動曲線

某型無人旋翼機采用高重心配置，發動機推力增加，前飛速度增加，旋翼拉力隨之增加，俯仰力矩仍保持平衡，但旋翼拉力增加可以拉起飛機，因此，旋翼槳盤俯仰角尚未增加，飛機便可離地，槳盤及機身尚無俯仰姿態變化，機體已離地，這一特征類似直升機。此時飛機離地高度很小，該型旋翼機旋翼槳盤有+10°的初始安裝角，為保持機身姿態在約束范圍內，防止后輪或旋翼槳盤后傾觸地，不必增加旋翼槳盤俯仰角。在爬升階段，增加槳盤俯仰角的同時，增加發動機推力，因此機身姿態角響應較之旋翼有滯后，但滯后時間很短。當飛機爬升到指定高度后，再恢復俯仰姿態角。飛機在地面滑行階段，受地面約束，滾轉角基本為零。

離地后，因旋翼前行槳葉與后行槳葉受空氣動力不對稱，及受側風干擾等因素影響，造成槳盤拉力側傾，使機身產生約3°的橫滾，產生側向滑移，為防止觸地，及時操縱旋翼橫滾，將飛機拉回航線。起飛過程中，飛機產生了4m左右的側向滑移。航向角的響應相對側向滑移有滯后，這是因為飛機先獲得側向滑移速度，再產生側滑角，方向舵在側風的作用下，產生氣動力消除側滑，這時應控制航向，避免飛機偏離航線。為防止產生氣流角過大，航向角的操縱應配合滾轉控制，主要利用滾轉產生側力，將飛機拉回航線，航向控制作為輔助手段，故航向角比滾轉角先恢復到零。當航向角和滾轉角先后恢復到零以后，由于慣性作用，飛機仍會滑移。

4 結論

通過對某型無人旋翼機滑跑近地約束分析，提出了起飛過程縱橫向通道采用地面支撐力、姿態和側滑反饋控制，降低了觸地傾翻風險，實現了安全平穩起飛。該研究對實現無人旋翼機完全自主飛行尤其是艦載起飛具有一定的意義。

參考文獻

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