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      無人機(jī)滑降著陸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2021-01-07 04:55:46范東生孫恒義麻興斌牛振中
      計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2020年12期
      關(guān)鍵詞:拉平航跡側(cè)向

      范東生,孫恒義,麻興斌,牛振中

      (西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司,西安 710129)

      0 引言

      由于無人機(jī)具有造價(jià)低、安全性高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在軍用和民用領(lǐng)域都扮演著越來越重要的作用。對(duì)于固定翼無人機(jī)而言,起降成為了制約其發(fā)展的主要因素,目前常用的固定翼無人機(jī)回收方式包括起落架跑道滑降、滑橇滑行,傘降以及垂直起降[1]。傘降是當(dāng)無人機(jī)到達(dá)降落區(qū)域上空后自動(dòng)或手動(dòng)控制打開降落傘完成后續(xù)傘降著陸;垂直起降主要針對(duì)旋翼無人機(jī)或傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)的降落,對(duì)滑降階段的三維航跡跟蹤要求不高。針對(duì)滑橇滑行以及起落架滑行兩種回收方式,對(duì)自主著陸下滑飛行的平穩(wěn)性、橫側(cè)向糾偏的高效性、降落位置的準(zhǔn)確性以及落地姿態(tài)角的安全性提出了嚴(yán)格的要求。

      高九州[2]以無人機(jī)地速、下沉率和橫側(cè)向偏航距為控制目標(biāo),應(yīng)用內(nèi)??刂圃?,完成了著陸縱向和橫向滑降控制器的設(shè)計(jì),其在末端拉起時(shí)采用了高度的指數(shù)衰減控制,通過高度的控制將無人機(jī)姿態(tài)擺平,這種策略存在姿態(tài)響應(yīng)、收斂慢的缺點(diǎn),可能會(huì)導(dǎo)致落地姿態(tài)角差無人機(jī)受損。朱雯雯[3]將著陸階段分為直線下滑和指數(shù)拉起以及淺下滑來設(shè)計(jì),并選擇不同的空速和軌跡角下飛機(jī)模型的配平結(jié)果作為滑降的依據(jù),能滿足無人機(jī)滑降段對(duì)飛行高度和側(cè)向偏差的要求,但整個(gè)過程采用速度開環(huán)控制,無人機(jī)空速在下滑段變化較大,實(shí)際飛行數(shù)據(jù)無法與配平值中的姿態(tài)很好地對(duì)應(yīng)。

      針對(duì)以上分析,本文首先設(shè)計(jì)了無人機(jī)滑降著陸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,具體設(shè)計(jì)了滑降橫側(cè)向控制器和滑降縱向控制器,并在橫側(cè)向控制器設(shè)計(jì)中給出了直線航跡和圓航跡的控制律設(shè)計(jì)方法,在縱向控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了下滑段高度控制量的分析計(jì)算;然后設(shè)計(jì)了一種滑降著陸控制系統(tǒng),詳細(xì)介紹了滑降過程控制模式,最后通過仿真實(shí)驗(yàn)完成對(duì)該滑降控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

      1 滑降著陸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      無人機(jī)滑降著陸控制包括滑降橫、側(cè)向控制和滑降縱向控制[5]。航跡控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中包括飛機(jī)模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、飛行控制系統(tǒng)(包括橫側(cè)向控制器和縱向控制器)、傳感器模塊和導(dǎo)航系統(tǒng)(包括航線角、偏航距以及高度控制量的計(jì)算)。

      圖1 無人機(jī)滑降控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      1.1 滑降橫側(cè)向控制器設(shè)計(jì)

      在無人機(jī)進(jìn)入滑降階段后,要保證無人機(jī)盡快地跟蹤上預(yù)定的航線,減小橫向偏移能使無人機(jī)順利通過下滑窗口,且在拉平段末端要減小與預(yù)定跑道的偏差,這就需要進(jìn)行橫側(cè)向的精確控制。橫側(cè)向控制器是以航向角控制為內(nèi)回路,航向角控制器的輸出量作為副翼和方向舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量,通過調(diào)節(jié)副翼和方向舵實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的平面航跡控制。當(dāng)無人機(jī)與預(yù)定航跡出現(xiàn)偏差時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行糾偏控制,而航向角的控制量也是由航線角與航跡偏差的控制綜合后得出,具體的滑降橫側(cè)向控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖2 滑降橫側(cè)向控制結(jié)構(gòu)圖

      實(shí)現(xiàn)過程為:由無人機(jī)的位置和給定的航程點(diǎn),計(jì)算出無人機(jī)與航線的垂線距離以及航線角,通過航跡控制器來消除偏差,并得到所需的航向角控制量,將其給入到航向控制器中,通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整副翼和方向舵的偏轉(zhuǎn)角度,從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)平面航跡的跟蹤。

      在滑降過程中會(huì)用到航線跟蹤以及定點(diǎn)圓盤旋降高。對(duì)直線航跡而言,偏航距離通過無人機(jī)到當(dāng)前航線的距離計(jì)算,具體的航向角控制率如下:

      (1)

      圓航跡的偏航距離通過無人機(jī)到圓心的距離與盤旋半徑的差來得到,具體的航向角控制率如下:

      (2)

      式(1)中,ψ0為航線航跡角,Δd為偏航距,KP為比例系數(shù),KI為積分系數(shù),KD為微分系數(shù),式(2)中,V為無人機(jī)的飛行速度,R為圓盤旋半徑。

      1.2 滑降縱向控制器設(shè)計(jì)

      滑降過程中不僅對(duì)無人機(jī)的平面航跡偏差有較高要求,而且無人機(jī)的高度控制以及觸地時(shí)的俯仰角也要滿足一定條件。所以在滑降過程中不僅要對(duì)無人機(jī)的高度進(jìn)行跟蹤控制,同時(shí)也要在接近地面時(shí)對(duì)無人機(jī)的俯仰角進(jìn)行拉起控制,以確保觸地時(shí)飛機(jī)抬頭,起落架后輪先觸地。無人機(jī)的高度控制以俯仰角控制回路為內(nèi)回路,俯仰角控制器的輸出量作為升降舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量,通過調(diào)節(jié)升降舵實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高度控制[6-7]。其中,高度控制量的計(jì)算是通過導(dǎo)航系統(tǒng)解算完成的。具體的高度控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

      圖3 滑降縱向控制器結(jié)構(gòu)圖

      實(shí)現(xiàn)過程為:首先,根據(jù)地面站發(fā)送的滑降航線的航程點(diǎn),導(dǎo)航軟件將航程點(diǎn)的高度信息提取后,根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前的位置,通過數(shù)學(xué)方法實(shí)時(shí)計(jì)算無人機(jī)所需的高度控制量,將其送入到飛控系統(tǒng)的高度控制器中,通過調(diào)節(jié)升降舵的偏轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的高度控制[8]。當(dāng)飛機(jī)距離地面高度較低時(shí),采用內(nèi)環(huán)俯仰角控制,將飛機(jī)縱向姿態(tài)拉平,以免發(fā)生飛機(jī)機(jī)頭或螺旋槳先觸地的情況。

      高度控制量的計(jì)算方法:通過給點(diǎn)的航程點(diǎn)坐標(biāo),實(shí)時(shí)計(jì)算無人機(jī)在任意航線位置時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)飛高度值,具體的計(jì)算過程如下[4]:

      如圖4所示,AB表示當(dāng)前無人機(jī)的航線,其中航程點(diǎn)A(xA,yA,zA)和B(xB,yB,zB)的位置已知,將AB投影到水平面XOY上得到線段CD,其中C的坐標(biāo)為(xC,yC,0),D的坐標(biāo)為,且有xA=xC,yA=yC,xB=xD,yB=yD。

      圖4 投影法計(jì)算高度

      坐標(biāo)點(diǎn)E表示無人機(jī)的位置,為了求出無人機(jī)在E點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的航線應(yīng)飛高度,將E投影到水平面得到點(diǎn)F,再將F點(diǎn)投影到上CD,得到投影點(diǎn)G,而G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的AB航線上的H點(diǎn)的高度值即為無人機(jī)的應(yīng)飛高度。

      在圖4中,E(xE,yE,zE)點(diǎn)的坐標(biāo)已知,則F(xE,yE,0)已知,又因?yàn)橹本€AB已知,則GF的數(shù)學(xué)式:

      (3)

      直線CD的表達(dá)式為:

      (4)

      設(shè)G點(diǎn)坐標(biāo)為G(xG,yG,0),聯(lián)合式(3)和式(4),可得:

      xG=

      (5)

      yG=

      (6)

      為了方便計(jì)算,將平面ABCD分離出來,如圖5所示。由上述計(jì)算求得G點(diǎn)坐標(biāo)為G(xG,yG,0),且A、B、C、D的坐標(biāo)均已知,當(dāng)航程點(diǎn)A的高度坐標(biāo)值低于B點(diǎn)高度坐標(biāo)值時(shí),見圖5左圖。

      圖5 航線側(cè)面投影

      根據(jù)幾何知識(shí)可以推導(dǎo)出如下關(guān)系:

      (7)

      則可以推導(dǎo)出H點(diǎn)的高度值,即無人機(jī)的應(yīng)飛高度h為:

      (8)

      同理,當(dāng)航程點(diǎn)A的高度坐標(biāo)值高于B點(diǎn)高度坐標(biāo)值時(shí),見圖5右圖,可以推導(dǎo)出H點(diǎn)高度值h為:

      (9)

      通過上述方法,可以求得無人機(jī)在任意位置時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)飛高度,即無人機(jī)的高度控制量,通過高度控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)航線高度的跟蹤控制。

      2 滑降著陸控制模式

      根據(jù)滑降著陸過程中對(duì)飛機(jī)航跡和姿態(tài)的要求,將滑降過程分為4個(gè)階段[9],分別為盤旋降高段、平飛段、下滑段以及末端拉平段。從平飛段到無人機(jī)著陸的滑降過程如圖6所示。

      圖6 滑降過程圖

      滑降過程首先是降高段,當(dāng)無人機(jī)返回到降落點(diǎn)上空后先進(jìn)行圓盤旋降高,此時(shí)采用速度閉環(huán)方式,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在慢車狀態(tài),當(dāng)高度滿足一定條件且飛機(jī)航向角與滑降下滑線的航線角之間滿足設(shè)置的條件后便開始進(jìn)入水平平飛段;平飛段是保證飛機(jī)很好的跟蹤水平航跡,減小飛機(jī)的側(cè)向偏移,并進(jìn)行下滑前姿態(tài)調(diào)整;平飛段末端進(jìn)行飛機(jī)下滑窗口判斷,當(dāng)滿足下滑窗口約束后進(jìn)入到下滑段;下滑段控制無人機(jī)始終跟蹤給定的航線坡度,同樣在下滑段采用速度閉環(huán)控制方式,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在慢車狀態(tài),直到高度滿足一定條件后進(jìn)入拉平段[10],在拉平段發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行,縱向控制模式由高度控制切換為俯仰角控制,完成觸地前俯仰角調(diào)整。

      1) 由降高段進(jìn)入平飛段的判斷條件為:

      (1)無人機(jī)飛行高度<=H1;

      (2)飛機(jī)航向角與航線的夾角小于10度或者飛機(jī)距離圓盤旋與航線切點(diǎn)位置距離小于50 m。

      2)平飛段高度H1設(shè)置為200 m,平飛段水平距離X1設(shè)置為3 000 m。為了使無人機(jī)從圓盤旋進(jìn)入直線航線后有較長時(shí)間收斂,X1的值可以根據(jù)地形條件考慮適當(dāng)放大。

      3) 下滑窗口判斷條件:

      (1)無人機(jī)沿航線方向飛行,與下滑航線起點(diǎn)距離小于50 m;

      (2)飛機(jī)的偏航距離絕對(duì)值小于10 m;

      (3)飛機(jī)當(dāng)前高度與平飛段高度給定值的差的絕對(duì)值小于10 m。

      4)預(yù)定下滑點(diǎn)到拉平點(diǎn)的水平距離X2設(shè)置為4 000 m,拉平高度H2為10 m,第一次下滑到預(yù)定拉平高度后開始進(jìn)入拉平段。

      5)進(jìn)入拉平段后,發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)門減小,設(shè)置為怠速運(yùn)行狀態(tài)。

      6)拉平段采用俯仰角控制,具體的俯仰角給定值計(jì)算方法為:

      (10)

      其中:H3為飛機(jī)相對(duì)跑道的高度;H2為預(yù)定拉平高度;θ0為拉平段初始俯仰角給定值,取下滑段轉(zhuǎn)換到拉平段時(shí)的俯仰角指令值;θ1為接地俯仰角指令給定值,為了保證接地時(shí)后輪先觸地且螺旋槳不會(huì)劃到地面,降其設(shè)置為2°。

      3 仿真與分析

      根據(jù)前邊對(duì)滑降模型的分析,給定滑降航線為:(0,0,1 000),(7 000,0,200),(10 000,0,200),(14 000,0,10), (15 000,0,0)。初始時(shí)間為0 s,無人機(jī)初始飛行高度為1 000 m,空速為40 m/s,航向角為0°,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的最小風(fēng)門開度限制為10%。無人機(jī)從初始狀態(tài)進(jìn)入航線,完成滑降過程,具體的仿真結(jié)果如圖7~11所示。

      圖7 無人機(jī)滑降平面圖

      圖8 無人機(jī)滑降x-h圖

      圖9 無人機(jī)滑降空速圖

      圖10 無人機(jī)滑降風(fēng)門開度圖

      圖11 無人機(jī)滑降俯仰角圖

      無人機(jī)從初始位置出發(fā),沿著x軸方向飛行,當(dāng)?shù)竭_(dá)7 000 m位置處開始進(jìn)行切航線圓盤旋降高飛行。由圖7~11可知,盤旋降高階段圓盤旋半徑為1 000 m,俯仰角為-6°,由于給定速度為40 m/s,而下滑時(shí)無人機(jī)的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,飛行速度增大到50 m/s。節(jié)氣門開度保持最小值10%。整個(gè)盤旋降高過程用時(shí)約260 s,高度從1 000 m下降至200 m,下滑率為3.08 m/s。

      當(dāng)無人機(jī)飛行高度不大于200 m時(shí),無人機(jī)航向角與航線的夾角小于10度或飛機(jī)距離圓盤與航線之間切點(diǎn)的距離小于50 m時(shí),無人機(jī)進(jìn)入平飛段。由圖7~11可知,剛從圓盤旋進(jìn)入平飛段時(shí),會(huì)出現(xiàn)最大45 m的偏航距,平飛段沿著x方向飛行3 000 m,平飛段結(jié)束時(shí),航跡偏差收斂到5 m。飛行高度保持200 m,對(duì)應(yīng)的俯仰角約為0度。無人機(jī)空速從下滑段末端的50 m/s,通過速度的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,保持到給定值40 m/s,對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)門開度約為21%。

      平飛段結(jié)束后進(jìn)入下滑窗口判斷,由于此時(shí)側(cè)向偏航距為5 m,飛行高度為200 m,高度控制誤差為0 m,滿足窗口通過條件,即當(dāng)無人機(jī)與下滑航線起點(diǎn)距離小于50 m時(shí),直接進(jìn)入下滑階段。由圖5~9可知,下滑階段無人機(jī)的偏航距逐漸減小,當(dāng)下滑段結(jié)束時(shí),偏航距為0 m。由于下滑段高度控制為實(shí)時(shí)計(jì)算無人機(jī)當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的下滑高度,而高度控制到該值需要一定的時(shí)間,所以不能保證無人機(jī)完全跟蹤下滑航線,而是在航線上方以相同的坡度下滑,同一水平位置下,無人機(jī)的應(yīng)飛高度與實(shí)際飛行高度偏差約為2 m。整個(gè)下滑過程用時(shí)約90 s,下滑高度為190 m,高度下滑率為2.11,下滑率較盤旋降高時(shí)減小,俯仰角約為-4°,空速增長幅度小于盤旋降高階段,最高達(dá)到44 m/s,由于采用速度閉環(huán)控制,對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)門開度逐漸減小至10%。

      當(dāng)無人機(jī)下滑到距離地面高度小于10 m時(shí),進(jìn)入到拉平階段,發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。由圖7~11可知,無人機(jī)從10 m高度到觸地用時(shí)14 s,高度下滑率為0.71m/s。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行后,無人機(jī)速度從43 m/s降低至37 m/s,水平方向無人機(jī)從14 040 m位置處滑行到14 650 m,共滑行610 m。觸地時(shí)的俯仰角為0.4°,飛機(jī)保持較小的抬頭姿態(tài)角,滿足滑降著陸對(duì)無人機(jī)的觸地俯仰角要求。

      4 結(jié)束語

      本文通過分析當(dāng)前無人機(jī)的滑降著陸控制方式,結(jié)合某型無人機(jī)模型,設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)滑降著陸控制方式,首先進(jìn)行了滑降著陸控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),給出了滑降橫側(cè)向控制器結(jié)構(gòu),并在橫側(cè)向控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了直線航跡和圓航跡的控制律設(shè)計(jì);之后設(shè)計(jì)了滑降縱向控制器結(jié)構(gòu),在縱向控制器設(shè)計(jì)中給出了下滑段高度控制量的計(jì)算方式;在滑降著陸控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種滑降著陸控制流程,詳細(xì)介紹了滑降過程的控制模式。

      經(jīng)過仿真分析表明:1)無人機(jī)在整個(gè)滑降過程中橫向控制滿足設(shè)計(jì)要求。在剛進(jìn)入平飛段時(shí)由于航線切換出現(xiàn)45 m偏航,在平飛段結(jié)束時(shí)偏航距為5 m,在飛機(jī)接地時(shí),偏航距減小為0 m。2)整個(gè)過程中高度控制和接地俯仰角滿足設(shè)計(jì)要求。平飛段飛機(jī)飛行高度為200 m,控制誤差為0 m;下滑段高度跟蹤誤差為2 m;接地時(shí)無人機(jī)姿態(tài)為稍微抬頭,俯仰角為0.4°。

      本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)滑降著陸控制系統(tǒng)能很好地完成回收階段無人機(jī)的安全著陸,整個(gè)滑降過程中具有偏航距離小,高度控制誤差低,水平方向滑行距離較短,落地姿態(tài)角安全性高的優(yōu)點(diǎn),能滿足滑跑型無人機(jī)對(duì)滑降階段的控制要求。

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