基于加速度的無人機縱向控制方案設(shè)計

李道斌

摘 要： 針對無人機常規(guī)縱向控制方案成本較高、姿態(tài)變化劇烈、高度跟蹤超調(diào)大的問題，設(shè)計一種基于加速度的縱向控制方案。建立了無人機縱向線性運動模型，介紹基于加速度的縱向控制方程和控制框圖，給出縱向控制所需的硬件，提出了控制參數(shù)設(shè)計的具體步驟，進(jìn)行了平飛、爬升和下降三種狀態(tài)數(shù)學(xué)仿真，并與常規(guī)的縱向控制數(shù)學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。仿真對比表明，基于加速度的縱向控制方案成本抗干擾能力強，姿態(tài)變化平穩(wěn)，高度跟蹤精度高、速度快、無超調(diào)，適用于各型無人機的縱向控制。

關(guān)鍵詞： 無人機； 加速度； 縱向控制； 數(shù)學(xué)仿真

中圖分類號： TN911?34； V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0095?03

Abstract： Since the general longitudinal control schemes for UAV has high cost， drastic attitude change and great overshoot in height tracking， a longitudinal control scheme based on acceleration was designed， and the longitudinal linear motion model of UVA was established. The acceleration?based longitudinal control equationand control block diagram are introduced. The hardware needed for longitudinal control is given. The specific design steps of the control parameters are presented. The mathematical simulation of level flight， climbout and decline was conducted. The simulation results are compared with the mathematical simulation results of conventional longitudinal control law. Simulation comparison results show that the proposed scheme has good anti?interference ability， smooth attitude change， high?accuracy height tracking， fast speed and no overshoot， which is suitable for the longitudinal control of various UAVs.

Keywords： UAV； acceleration； longitudinal control； mathematical simulation

0 引 言

無人機是“無人駕駛飛行器”（UAV）的簡稱，是一種由動力驅(qū)動，依靠無線電遙控設(shè)備操縱或按自動程序控制飛行，可重復(fù)使用的航空器[1]。通常由動力驅(qū)動，飛行器內(nèi)部控制系統(tǒng)自主控制執(zhí)行任務(wù)或由地面控制站發(fā)出遙控指令操縱執(zhí)行任務(wù)[2]。飛行控制系統(tǒng)是無人機的核心系統(tǒng)，其決定了無人機的飛行性能、可靠性和生存能力，高品質(zhì)的飛行控制系統(tǒng)是無人機實現(xiàn)安全飛行和完成復(fù)雜飛行任務(wù)的重要保證，直接決定了無人機的性能和作用[3?4]。飛行控制系統(tǒng)是由自動駕駛儀、執(zhí)行機構(gòu)（舵機）和傳感器系統(tǒng)等組成的一個復(fù)雜系統(tǒng)，其中縱向飛行控制方案的設(shè)計是無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。常規(guī)縱向控制方案利用俯仰控制內(nèi)回路實現(xiàn)跟蹤給定爬升/下滑俯仰角指令，達(dá)到穩(wěn)定和跟蹤姿態(tài)角的目的，實現(xiàn)爬升/下滑模態(tài)；利用高度控制外回路達(dá)到定高飛行目的，實現(xiàn)平飛模態(tài)。姿態(tài)角信息由位置陀螺或者較高精度的速率陀螺導(dǎo)航提供，成本較高。且飛行中姿態(tài)變化劇烈、高度跟蹤超調(diào)大。在無人機控制系統(tǒng)中，傳感器是其可靠性最差的環(huán)節(jié)之一，由于傳感器故障給控制系統(tǒng)帶來的誤控制，可能會導(dǎo)致墜機事件，造成巨大損失[5]。本文研究一種基于加速度的縱向控制方案，以簡化傳感器，減小對陀螺的要求，降低成本。仿真研究結(jié)果表明，基于加速度的控制方案能很好地抑制干擾的影響，姿態(tài)變化平穩(wěn)，高度跟蹤精度高、速度快、無超調(diào)，滿足樣例無人機縱向控制的要求。

1 縱向控制方案

1.1 常規(guī)無人機縱向控制方案

傳統(tǒng)無人機控制方法主要實現(xiàn)姿態(tài)控制（俯仰/滾轉(zhuǎn)）、高度控制和航跡控制等4個模態(tài)[6～9]，縱向控制方案包括姿態(tài)控制回路和高度控制回路。通常，要控制飛行器首先是控制它的角運動，使其姿態(tài)發(fā)生變化，而后重心的軌跡才發(fā)生變化。傳感器一般需要角速率陀螺、位置陀螺/慣導(dǎo)、GPS/氣壓高度計，無論是采用位置陀螺還是慣導(dǎo)都會帶來較大的成本。常規(guī)縱向控制方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

常規(guī)縱向控制方程如下：

[δφ=Kωzzωz+Kφz（φ-φc）+KHz+KHIzs（H-Hc）]

式中：[δφ]為升降舵舵偏角；[Kωzz]為阻尼回路控制系數(shù)；[Kφz]為俯仰角回路控制系數(shù)；[KHz]為高度回路比例控制系數(shù)；[KHIz]為高度回路積分控制系數(shù)；[ωz]為俯仰角速度；[φ]為俯仰角；[H]為海拔高度；[φc]為俯仰角指令；[Hc]為高度指令。

1.2 基于加速度的控制方案

基于加速度的縱向回路控制方法首先根據(jù)高度差計算加速度指令，再根據(jù)加速度差計算角速率指令，利用角速率回路增加阻尼。基于加速度的縱向控制方案結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

縱向控制方程如下：

[apc=（KHz+KHDzs）（Hc-H）+gωzc=Kayz（apc-ay1）δφ=Kωzzωz+KωIzωz-ωzcdt]

式中： [KωIz]為角速度積分回路控制系數(shù)；[Kayz]為加速度回路控制系數(shù)；[KHDz]為高度回路微分控制系數(shù)；[ωzc]為指令角速度；[apc]為指令視加速度；[g]為重力加速度；[ay1]為縱向視加速度。

2 控制參數(shù)設(shè)計

以無人機的直線定常無側(cè)滑飛行為基準(zhǔn)運動，利用小擾動線性化方法，得到縱向線性運動模型為：

[x=Ax+Buy=Cx+Du]

式中：狀態(tài)量[x=V，α，ωz，φ，HT]，其中分別為速度、攻角、俯仰角速度、俯仰角和高度；控制量[u=δe，δTT]，其中分別為升降舵偏角、發(fā)動機油門[10]。

采用基于加速度的縱向控制方案設(shè)計控制參數(shù)，采用頻域設(shè)計、層層遞進(jìn)的方法，其步驟可總結(jié)如下：

（1） 根據(jù)無人機運動模型[Gs]，設(shè)計[Kωzz]；

（2） 求取增加了阻尼回路后的閉環(huán)傳遞函數(shù)[G1s]；

（3） 根據(jù)[G1s]，設(shè)計[KωIz]；

（4） 求取增加了角速度積分回路后的閉環(huán)傳遞函數(shù)[G2s]；

（5） 根據(jù)[G2s]，設(shè)計[Kayz]；

（6） 求取增加了加速度回路后閉環(huán)傳遞函數(shù)[G3s]；

（7） 根據(jù)[G3s]，設(shè)計[KHz]和[KHDz]。

3 仿真驗證及對比分析

選取樣例無人機飛行狀態(tài)為：海拔高度1 000 m，速度為50 m/s，攻角為2°。在平飛、爬升、下降狀態(tài)下加入10 N·m的風(fēng)干擾，采用基于加速度的縱向控制方案分別進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，并與常規(guī)縱向控制方案進(jìn)行比較。

3.1 平飛狀態(tài)

給定高度1 000 m進(jìn)行平飛狀態(tài)數(shù)學(xué)仿真，實線為常規(guī)縱向控制方案仿真結(jié)果，虛線為基于加速度的縱向控制方案仿真結(jié)果。對應(yīng)的俯仰角速度曲線如圖3（a）所示，攻角響應(yīng)曲線如圖3（b）所示，高度響應(yīng)曲線如圖3（c）所示。

3.2 爬升狀態(tài)

給定高度1 100 m進(jìn)行爬升狀態(tài)數(shù)學(xué)仿真，實線為常規(guī)縱向控制方案仿真結(jié)果，虛線為基于加速度的縱向控制方案仿真結(jié)果。對應(yīng)的俯仰角速度曲線如圖4（a）所示，攻角響應(yīng)曲線如圖4（b）所示，高度響應(yīng)曲線如圖4（c）所示。

3.3 下降狀態(tài)

給定高度900 m進(jìn)行下降狀態(tài)數(shù)學(xué)仿真，實線為常規(guī)縱向控制方案仿真結(jié)果，虛線為基于加速度的縱向控制方案仿真結(jié)果。對應(yīng)的俯仰角速度曲線如圖5（a）所示，攻角響應(yīng)曲線如圖5（b）所示，高度響應(yīng)曲線如圖5（c）所示。

3.4 對比分析

三種狀態(tài)下常規(guī)縱向控制方案與基于加速度的縱向控制方案數(shù)學(xué)仿真結(jié)果對比見表1。

表1 三種狀態(tài)下數(shù)學(xué)仿真結(jié)果對比

由表1可以看出，與常規(guī)縱向控制方案相比，基于加速度的縱向控制方案在干擾和各種狀態(tài)下，均可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的高度跟蹤，角速度變化平緩，攻角小，高度跟蹤速度快、超調(diào)小。

4 結(jié) 語

本文給出了一種基于加速度的縱向控制方案，對其參數(shù)設(shè)計方法進(jìn)行了研究，并將高度、姿態(tài)控制效果與傳統(tǒng)縱向控制方案進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明，基于加速度的縱向控制方案成本低、抗干擾能力強、姿態(tài)變化平穩(wěn)、高度跟蹤效果好，成本較低。

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