自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的起飛控制研究

孫本良,曹東,薛鵬翔

(1. 南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016; 2. 中國(guó)人民解放軍95791部隊(duì),甘肅 酒泉 735099)

0 引言

自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)作為無(wú)人駕駛飛行器中的一員,它既區(qū)別于固定翼無(wú)人機(jī)與無(wú)人直升機(jī),又同時(shí)兼?zhèn)淞藘烧叩闹T多特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)方面,自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)具有與無(wú)人直升機(jī)類(lèi)似的旋翼,但自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋翼的運(yùn)動(dòng),僅靠前方來(lái)流的吹動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋翼的自轉(zhuǎn),從而為自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)提供升力。在動(dòng)力方面,自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在前進(jìn)方向安裝了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳,為自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)提供了前進(jìn)方向的動(dòng)力,這一點(diǎn)又和固定翼無(wú)人機(jī)類(lèi)似[1]。相較于固定翼無(wú)人機(jī)與無(wú)人直升機(jī),自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱容易、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性高等特點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域均有廣闊的市場(chǎng)與良好的發(fā)展前景。

自主起飛是自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的一個(gè)重要過(guò)程,只有實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全的起飛后,才能夠?qū)罄m(xù)的飛行過(guò)程實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的控制。自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的自主起飛可劃分為預(yù)旋階段、滑跑階段、前輪離地段、三輪離地段、離地爬升段,每個(gè)階段存在一定的控制難點(diǎn)。由于自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的質(zhì)心高、槳盤(pán)慣性大、槳盤(pán)定軸性等原因,在滑跑階段大速度糾偏易引起側(cè)翻,因此前輪糾偏具有一定的危險(xiǎn)性。而抬前輪時(shí)的速度與旋翼轉(zhuǎn)速的匹配對(duì)平緩起飛有很大影響,若速度大旋翼轉(zhuǎn)速小,離地時(shí)易因槳盤(pán)迎角大于或臨近失速迎角而導(dǎo)致升力不足,出現(xiàn)低頭現(xiàn)象;若速度小旋翼轉(zhuǎn)速大,離地時(shí)易由于阻力的作用以及速度過(guò)小出現(xiàn)失速現(xiàn)象。在起飛抬前輪時(shí)壓桿動(dòng)作易造成機(jī)身姿態(tài)不穩(wěn),而離地加速段需要快速建立空速和升力,對(duì)起飛姿態(tài)控制有很高的要求。本文針對(duì)某型自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī),對(duì)起飛過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行分析與研究,設(shè)計(jì)起飛過(guò)程各控制回路的控制策略,保證無(wú)人機(jī)能夠平穩(wěn)、安全地起飛。

1 自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)基本構(gòu)成包括旋翼系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)(發(fā)動(dòng)機(jī))、機(jī)身、垂尾和起落架。其中操縱機(jī)構(gòu)包括槳盤(pán)縱傾、槳盤(pán)橫傾、方向舵、油門(mén)、剎車(chē)[2]。某型自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中,其頂部無(wú)動(dòng)力旋翼隨前方相對(duì)來(lái)流吹風(fēng)而自轉(zhuǎn),不但可以為旋翼機(jī)提供升力,而且可以通過(guò)操縱槳盤(pán)縱傾或橫傾對(duì)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整[3]。操縱槳盤(pán)縱向傾角可使槳盤(pán)平面縱向傾斜,即升力縱向傾斜,從而改變自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的俯仰姿態(tài),其作用相當(dāng)于固定翼無(wú)人機(jī)的升降舵或者無(wú)人直升機(jī)的縱向周期變距;操縱槳盤(pán)橫向傾角可使槳盤(pán)平面橫向傾斜,即升力橫向傾斜,從而改變自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的滾轉(zhuǎn)姿態(tài),其作用相當(dāng)于固定翼無(wú)人機(jī)的副翼或者無(wú)人直升機(jī)的橫向周期變距。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力靠螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供,可以通過(guò)控制油門(mén)開(kāi)度來(lái)控制前進(jìn)推力的大小。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的航向穩(wěn)定與調(diào)整則依靠機(jī)體后端方向舵的舵面偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。

1.2 起飛過(guò)程分析

旋翼機(jī)起飛段是指旋翼機(jī)從跑道起點(diǎn)由加速滑跑到爬升至安全高度的過(guò)程,根據(jù)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)起飛過(guò)程中的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與特點(diǎn),可將起飛過(guò)程分為起飛預(yù)旋段、三輪滑跑段、兩輪滑跑段、離地爬升段4個(gè)階段[4],并對(duì)各階段的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的起飛過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 起飛過(guò)程示意圖

1)起飛預(yù)旋段

執(zhí)行起飛任務(wù)前需對(duì)旋翼機(jī)進(jìn)行安全檢查,判斷滿足安全飛行條件后,將旋翼機(jī)置于跑道上。由于旋翼機(jī)的旋翼在飛行過(guò)程中是被動(dòng)旋轉(zhuǎn)的,在起飛前需讓旋翼進(jìn)行預(yù)旋,使旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后方可進(jìn)行滑跑。預(yù)旋過(guò)程旨在建立一定的旋翼初始轉(zhuǎn)速,使得滑跑至前輪離地時(shí)空速與旋翼轉(zhuǎn)速均在安全范圍內(nèi)。在預(yù)旋階段,對(duì)象無(wú)人機(jī)槳盤(pán)由水平位置向最大傾角偏轉(zhuǎn),剎車(chē)開(kāi)啟,發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài),開(kāi)啟預(yù)旋開(kāi)關(guān),等待旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到250r/min后斷開(kāi)預(yù)旋,旋翼機(jī)進(jìn)入滑跑階段。

2)地面滑跑段

預(yù)旋結(jié)束后,槳盤(pán)縱向傾角已調(diào)整至最大角度,松開(kāi)剎車(chē),發(fā)動(dòng)機(jī)以最大油門(mén)進(jìn)行滑跑,并在滑跑階段接入前輪糾偏控制,使旋翼機(jī)沿著跑道方向進(jìn)行滑跑。隨著旋翼機(jī)的滑跑速度逐漸增大,旋翼的轉(zhuǎn)速在稍微減小后保持持續(xù)增長(zhǎng),對(duì)象無(wú)人機(jī)在前輪抬起時(shí)刻空速約為29m/s,旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到350r/min。在前輪抬起瞬間需迅速減小槳盤(pán)縱向傾角,使得旋翼產(chǎn)生的升力在垂直方向的分力迅速增大到足以克服重力,但槳盤(pán)縱向傾角調(diào)整幅度需要準(zhǔn)確控制,槳盤(pán)縱向傾角減小過(guò)大會(huì)導(dǎo)致旋翼機(jī)前輪觸地而槳盤(pán)縱向傾角減小不足則會(huì)導(dǎo)致旋翼機(jī)后翻[5]。隨后旋翼機(jī)在保持兩輪滑跑短暫距離后,三輪均可離地并進(jìn)入離地爬升段。

3)離地爬升段

離地爬升段是由地面滑跑到空中飛行過(guò)渡的關(guān)鍵階段,該階段需要調(diào)整旋翼機(jī)的姿態(tài)保持穩(wěn)定的空速與旋翼轉(zhuǎn)速,使得旋翼機(jī)穩(wěn)步爬升至安全高度。三輪離地后,斷開(kāi)前輪糾偏控制,改用調(diào)整槳盤(pán)橫向傾角來(lái)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)扭力矩,保持橫側(cè)向力矩平衡。對(duì)于縱向通道,需調(diào)整槳盤(pán)縱向傾角緩慢降低,目的是增加旋翼升力水平方向的分力,迅速建立爬升所需的最佳空速。待旋翼機(jī)爬升至離地50m后達(dá)到安全高度完成起飛,進(jìn)入空中爬升階段,旋翼機(jī)接入空速與高度控制,使旋翼機(jī)在空中穩(wěn)定飛行。

對(duì)象旋翼機(jī)在起飛各階段的配平狀態(tài)表如表1所示。

表1 旋翼機(jī)的配平狀態(tài)

2 無(wú)人旋翼機(jī)起飛控制策略

無(wú)人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的起飛過(guò)程主要目的是使旋翼機(jī)能夠以穩(wěn)定的姿態(tài)爬升至安全高度,從而轉(zhuǎn)入空中飛行。其中旋翼機(jī)由滑跑轉(zhuǎn)離地爬升過(guò)程對(duì)起飛安全影響最大,需對(duì)其進(jìn)行縱向與橫側(cè)向控制,保證旋翼機(jī)安全離地起飛與力矩平衡。

2.1 縱向控制策略

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼在相對(duì)來(lái)流的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)為旋翼機(jī)提供升力,通過(guò)控制旋翼槳盤(pán)縱向傾角改變旋翼升力的大小,從而對(duì)旋翼機(jī)進(jìn)行縱向控制。

在預(yù)旋階段槳盤(pán)縱傾被調(diào)整至最大,為保證滑跑階段縱向通道的穩(wěn)定性,接入俯仰角速率控制起到提前抑制機(jī)身俯仰角變化的作用,減小抬頭瞬間后翻的風(fēng)險(xiǎn)。在前輪離地瞬間需迅速減小槳盤(pán)縱傾[6],但會(huì)造成縱向穩(wěn)定性突變,所以對(duì)象旋翼機(jī)采用提前減小槳盤(pán)縱向傾角的方式,保證前輪離地瞬間的安全性。旋翼機(jī)兩輪滑跑過(guò)程中需加入俯仰角比例與微分(PD)控制,調(diào)整俯仰角姿態(tài)使旋翼機(jī)三輪離地,離地后對(duì)俯仰角PD控制系數(shù)進(jìn)行微調(diào),保證旋翼機(jī)穩(wěn)定爬升至安全高度。

2.2 橫側(cè)向控制策略

在起飛過(guò)程中,自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)主要通過(guò)操縱前輪舵機(jī)和槳盤(pán)橫向傾角完成對(duì)橫側(cè)向姿態(tài)的控制,前輪舵機(jī)主要用于滑跑糾偏,槳盤(pán)橫傾主要用于保持滾轉(zhuǎn)力矩的平衡。

在滑跑過(guò)程中,因風(fēng)的干擾、旋翼結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、跑道不平整等干擾因素,會(huì)導(dǎo)致旋翼機(jī)相對(duì)跑道出現(xiàn)一定的偏航與側(cè)偏,因此在滑跑階段需接入前輪糾偏控制[7]。同時(shí)高速滑跑會(huì)帶來(lái)較大的慣性,如果前輪糾偏過(guò)大使得前輪方向與速度方向有較大偏差,產(chǎn)生的側(cè)力可能導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生側(cè)翻。因此對(duì)前輪糾偏策略低速段采用具有一定糾偏能力減小初始偏航和初始側(cè)偏,而高速段則降低糾偏控制幅度。在前輪抬起后保持前輪糾偏控制并加入滾轉(zhuǎn)角反饋控制,確保旋翼機(jī)保持姿態(tài)安全離地。三輪離地后,轉(zhuǎn)入加速爬升段,斷開(kāi)前輪糾偏控制,改用槳盤(pán)橫傾調(diào)整自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的航向穩(wěn)定。

3 控制回路設(shè)計(jì)

3.1 縱向控制回路設(shè)計(jì)

起飛過(guò)程縱向控制回路如圖3所示,通過(guò)基于槳盤(pán)縱傾的俯仰角PD控制調(diào)整縱向姿態(tài),將旋翼機(jī)俯仰角保持在給定范圍內(nèi),保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和阻尼特性。

圖3 縱向控制回路

(1)

三輪離地后,需進(jìn)一步減小槳盤(pán)縱傾以達(dá)到提高旋翼轉(zhuǎn)速的目的,將δe_trim調(diào)整為-3°,其他系數(shù)保持不變。待旋翼機(jī)爬升至安全高度后完成起飛,接入空中爬升控制律實(shí)現(xiàn)對(duì)空中姿態(tài)的控制。

3.2 橫側(cè)向控制回路設(shè)計(jì)

旋翼機(jī)在自主起飛過(guò)程中,采用前輪、方向舵和槳盤(pán)橫傾分時(shí)分段的組合控制方法,實(shí)現(xiàn)起飛過(guò)程中的航向和糾偏控制,橫側(cè)向控制回路如圖4所示。

圖4 橫側(cè)向控制回路

(2)

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制策略和控制律,以FlightGear飛行模擬器上的JT-5B自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)作為控制對(duì)象,設(shè)計(jì)了等效飛控軟件。等效飛控軟件通過(guò)UDP端口對(duì)FG輸出native-ctrls數(shù)據(jù)包,以控制對(duì)象飛行器的氣動(dòng)舵面和發(fā)動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)飛行器的運(yùn)行;通過(guò)UDP端口接收FG輸出的native-fdm數(shù)據(jù)包,以獲得對(duì)象飛行器的飛行狀態(tài)參數(shù)[9]。所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)FlightGear環(huán)境配置步驟如下,將機(jī)型文件放置在安裝路徑的Aircraft文件下后,即可選擇使用對(duì)象無(wú)人機(jī),設(shè)置初始在機(jī)場(chǎng)跑道上,時(shí)間為白天,初始仿真狀態(tài)暫停,對(duì)命令設(shè)置如下:

--native-fdm=socket,out,100,127.0.0.1,8050,udp

--native-ctrls=socket,in,100,127.0.0.1,8080,udp

通過(guò)等效飛控軟件發(fā)送起飛指令后,經(jīng)過(guò)控制律解算發(fā)送ctrls數(shù)據(jù)包驅(qū)動(dòng)FlightGear中的機(jī)型運(yùn)動(dòng),觀察FlightGear內(nèi)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及反饋的fdm飛行參數(shù)數(shù)據(jù)并繪制圖像。

無(wú)人機(jī)執(zhí)行起飛指令后的高度與速度變化曲線分別如圖6—圖7所示。圖中高度為海拔高度。從仿真結(jié)果可知,初始高度約為152.7m,旋翼機(jī)預(yù)旋67s左右后斷開(kāi)預(yù)旋并開(kāi)始加速滑跑,在82s左右開(kāi)始離地逐步爬升,在三輪離地后爬升速率有短暫略微變化,隨后穩(wěn)定爬升,在100s左右達(dá)到200m安全高度完成起飛,此時(shí)接入空中爬升控制律進(jìn)入飛行狀態(tài)。

圖6 高度變化曲線

圖7 速度變化曲線

槳盤(pán)縱傾、俯仰角與俯仰角速率變化曲線如圖8所示。在前輪離地時(shí)刻俯仰角速率與俯仰角突變?cè)龃?接通俯仰角PD控制抑制了俯仰角速率的增大,并通過(guò)提前減小槳盤(pán)縱傾的共同作用可防止旋翼機(jī)產(chǎn)生后翻。三輪離地后進(jìn)一步減小槳盤(pán)縱傾使得俯仰角速率降低后逐漸回調(diào),從而引起俯仰角短暫減小后繼續(xù)增大,在100s左右,槳盤(pán)縱傾操縱趨于穩(wěn)定,俯仰角速率趨于0,俯仰角也趨向于穩(wěn)定,等待接入空中爬升控制律,維持空中飛行狀態(tài)穩(wěn)定。

圖8 縱向模態(tài)曲線

槳盤(pán)橫傾、前輪變化曲線如圖9所示,預(yù)旋結(jié)束后旋翼機(jī)航向與起飛航向有略小偏差,斷開(kāi)預(yù)旋后前輪糾偏接通,使得前輪偏轉(zhuǎn),最終在低速段調(diào)整至-1°左右后,高速段減小控制幅度,前輪偏轉(zhuǎn)減小,前輪離地后,接通滾轉(zhuǎn)角反饋控制,副翼發(fā)生偏轉(zhuǎn);三輪離地后,斷開(kāi)前輪糾偏控制前輪偏轉(zhuǎn)歸0,副翼進(jìn)一步調(diào)整控制橫側(cè)向穩(wěn)定。

圖9 槳盤(pán)橫傾與前輪變化曲線

滾轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角速率、偏航角速率變化曲線如圖10所示。三輪滑跑后接通前輪糾偏控制,偏航角速率波動(dòng),旋翼機(jī)開(kāi)始調(diào)整航向;兩輪滑跑段接通滾轉(zhuǎn)角控制,滾轉(zhuǎn)角調(diào)整趨于0°,三輪離地后斷開(kāi)了前輪糾偏控制,改用槳盤(pán)橫傾控制,各變量小幅跳變后調(diào)整至新的平衡狀態(tài),旋翼機(jī)維持該橫側(cè)向的穩(wěn)定狀態(tài)起飛。

圖10 橫側(cè)向模態(tài)曲線

聯(lián)立等效飛控軟件與FlightGear軟件進(jìn)行仿真,飛行效果如圖11所示,對(duì)象旋翼機(jī)可較好完成滑跑到起飛過(guò)程,并能在達(dá)到安全高度后平滑接入空速控制、高度控制等空中控制策略,使無(wú)人旋翼機(jī)在空中進(jìn)一步穩(wěn)定飛行。

圖11 仿真效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

自轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的起飛過(guò)程較為復(fù)雜,需根據(jù)旋翼機(jī)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分為多個(gè)過(guò)程。橫側(cè)向控制方案可根據(jù)低速滑跑段、高速滑跑段、前輪離地段、三輪離地段等不同階段采取相應(yīng)的控制策略;縱向控制方案可根據(jù)預(yù)旋階段、滑跑段、前輪離地段、三輪離地段采取相應(yīng)的控制策略。對(duì)每個(gè)過(guò)程的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì),保證旋翼機(jī)在起飛過(guò)程中橫向與縱向姿態(tài)的穩(wěn)定性,確保無(wú)人機(jī)能夠安全起飛。