三角飛翼太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)及其姿態(tài)控制設(shè)計(jì)

劉東輝 杜亞昆 奚樂(lè)樂(lè) 佟麗娜

摘 要：無(wú)人機(jī)飛翼布局形式?jīng)Q定了它有諸多獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以世界上出現(xiàn)了很多先進(jìn)的無(wú)人機(jī)飛翼布局形式。本次課題為了設(shè)計(jì)能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間飛行且氣動(dòng)性能優(yōu)越的飛翼布局無(wú)人機(jī)，擬將太陽(yáng)能供電技術(shù)給無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力源，設(shè)計(jì)一種三角飛翼布局的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以得到更好的設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：三角飛翼；太陽(yáng)能；無(wú)人機(jī)；姿態(tài)控制

引言

隨著無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到了很多國(guó)家的重視。飛翼布局無(wú)人機(jī)有諸多獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以世界上很多先進(jìn)無(wú)人機(jī)采取飛翼布局形式。

太陽(yáng)能飛機(jī)是以太陽(yáng)光輻射能為能源的電推進(jìn)飛行器，具有巡航時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高、成本低等特點(diǎn)，而且可以靈活執(zhí)行多種任務(wù)，清潔無(wú)污染。目前世界上還沒(méi)有實(shí)用的太陽(yáng)能飛行器，且將太陽(yáng)能動(dòng)力與飛翼氣動(dòng)布局相結(jié)合的案例寥寥無(wú)幾，各國(guó)相關(guān)的科學(xué)研究正在持續(xù)進(jìn)行中。

1 整機(jī)方案的確定

飛翼結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)身、無(wú)水平尾翼和垂直尾翼，從機(jī)體結(jié)構(gòu)看，機(jī)體內(nèi)部空間可以得到最大限度利用。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅有利于增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而且還可以減少結(jié)構(gòu)重量，并且可以承受高機(jī)動(dòng)產(chǎn)生的過(guò)載力。從氣動(dòng)外形看，翼身融為一體，使整架飛機(jī)作為一個(gè)升力面，這樣可以較大的增加升力。同時(shí)這種翼身相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可以大幅度降低干擾阻力和誘導(dǎo)阻力。總體說(shuō)來(lái)，無(wú)尾飛翼布局一體化設(shè)計(jì)，可大大增升減阻，減少重量和翼載荷，對(duì)提高續(xù)航時(shí)間和機(jī)動(dòng)性等飛行性能極為有效。

2 姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)測(cè)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(shí)驗(yàn)條件限制，傳感器的校正只有一項(xiàng)，即加速度計(jì)。靜態(tài)時(shí)加速度計(jì)測(cè)的是等效重力加速度場(chǎng)。加速度計(jì)測(cè)量的對(duì)象是比力，也就是等效重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度的和，當(dāng)靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)加速度為0，加速度計(jì)的測(cè)量值為等效重力加速度，可以利用這一點(diǎn)校正加速度計(jì)。加速度計(jì)的校正的思路為：對(duì)測(cè)量值平移和縮放，把測(cè)量值擬合到重力加速度。所以校正加速度計(jì)的整體流程為：測(cè)量一批靜態(tài)數(shù)據(jù)，要盡可能在球面上分布均勻，然后用這批數(shù)據(jù)生成方陣，然后求方程的近似解，最后得到校正參數(shù)。

有了傳感器的數(shù)據(jù)，就可以用來(lái)計(jì)算姿態(tài)。計(jì)算姿態(tài)主要用到兩個(gè)傳感器：陀螺儀、加速度計(jì)。加速度計(jì)測(cè)量對(duì)象為比力，受運(yùn)動(dòng)加速度影響大。而陀螺儀則受外部的影響弱，穩(wěn)定性好，但輸出量為角速度，需積分才能得到姿態(tài)，無(wú)法避免誤差的累積問(wèn)題。為了得到穩(wěn)定的、近實(shí)時(shí)的姿態(tài)，對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，本設(shè)計(jì)采用互補(bǔ)濾波法，如圖1。

Mark Euston 提出了運(yùn)算量比梯度下降法更小的互補(bǔ)濾波法。相比梯度下降法用加速度算姿態(tài)的梯度，互補(bǔ)濾波法是把加速度誤差構(gòu)造成糾正旋轉(zhuǎn)，疊加到陀螺測(cè)出的角增量上，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)條件限制，傳感器的校正只有一項(xiàng)，即加速度計(jì)。靜態(tài)時(shí)加速度計(jì)測(cè)的是等效重力加速度場(chǎng)。加速度計(jì)測(cè)量的對(duì)象是比力，也就是等效重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度的和，當(dāng)靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)加速度為0，加速度計(jì)的測(cè)量值為等效重力加速度，可以利用這一點(diǎn)校正加速度計(jì)。加速度計(jì)的校正的思路為：對(duì)測(cè)量值平移和縮放，把測(cè)量值擬合到重力加速度。

2.2 姿態(tài)控制

根據(jù)被控姿態(tài)的表示方式，分為歐拉角控制和四元數(shù)控制。為了避免復(fù)雜的精確動(dòng)力學(xué)建模，選用PID 控制器。若選用歐拉角來(lái)控制姿態(tài)，每次控制都要計(jì)算三次三角函數(shù)，運(yùn)算量很大。為了避免三角函數(shù)，可直接用姿態(tài)四元數(shù)來(lái)控制。思路為先求姿態(tài)差，再把姿態(tài)差輸入到PID控制器，來(lái)輸出舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角變化量。當(dāng)前姿態(tài)記為c，目標(biāo)姿態(tài)記為t，從當(dāng)前姿態(tài)轉(zhuǎn)到目標(biāo)姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)，即姿態(tài)差，記為d，則有：

假定姿態(tài)差為小量，三角函數(shù)可以用小角替換，根據(jù)四元數(shù)表示姿態(tài)的意義，xd、yd和zd為各軸旋轉(zhuǎn)角的一半，可以作為PID 的輸入：

2.3 算法效果

主要針對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行了校正。再比較校正前后的長(zhǎng)度誤差分布，校正前的相對(duì)誤差分布如圖2，校正后的相對(duì)誤差分布如圖3。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章詳細(xì)論述了姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和算法，從傳感器校正、數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)控制、算法效果和最終的試飛狀況，充分地展示了姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)的輔助穩(wěn)定作用。通過(guò)對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與大量計(jì)算，飛機(jī)的可操控性達(dá)到了較為理想的狀態(tài)，整體效率也有所提高，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(jī)電器的智能控制。