無人直升機自動起降控制及試飛驗證

葉文輝

摘要：本文針對無人直升機近地懸停與脫離地效懸停之間不同的飛行特點，進行了單旋翼帶尾槳無人直升機自動起飛與著陸控制策略研究，提出了一種無人直升機自動起飛與著陸控制方法及控制流程圖，并在某型500kg級無人直升機上進行了試飛驗證，結果表明所提出的控制方法達到了預期控制精度要求。

[關鍵詞]無人直升機 自動起降 試飛驗證

無人直升機不僅能垂直起降，還能實現空中定點懸停，軍事上豐富了戰場偵察、通信中繼、目標搜尋等手段，民用方面可用于構建多維度的海事巡查等。無人直升機進行自動起飛與著陸（簡稱自動起降）時間短，耦合性與非線性強，控制難度大。期間不僅要保證無人直升機姿態平穩，在不同飛行階段還需運用不同的控制策略以確保無人直升機起降安全、位置偏差和升降速度滿足要求。

1自動起降過程的控制要求

要實現較好的無人直升機自動起降過程控制，關鍵在總距通道的控制。而強耦合性的特點導致起降過程中還必須考慮總距控制對其他通道控制上造成的影響。起降過程因其狀態變化很小，狀態耦合造成的影響可以不用考慮。所以基于工程控制的實際要求，在設計自動起降控制策略與高度通道控制律時僅僅將操縱耦合考慮在內。

在所設計的控制系統里，將其劃歸為五個主要控制通道，即縱向控制通道、橫向控制通道、尾槳控制通道、高度控制通道和發動機轉速控制通道。為了確保無人直升機自動起降時不發生側翻并減小側偏距離、爬升過程平穩，控制系統對每個控制通道都都有較高的精度要求：

（1）離地與觸地瞬間，無人直升機的縱向力矩和橫向力矩呈平衡狀態，且離地與觸地過程中姿態角必須在限定的范圍之內;

（2）自動起降提距與降距過程中易產生共振，對俯仰角速率和滾轉角速率最大值進行限制;

（3）限制最大位置偏差和航向偏差，起降過程位置偏差≤5m，航向保持精度：+3°;

（4）高度變化過程中的升降速度限制。

2控制策略

為較好實現自動起降控制，定義了三個起降控制狀態，分別是：起飛準備、自動起飛、自動著陸。

2.1自動起飛控制

將自動起”飛過程分解為兩步完成：第一步為控制無人直升機快速提升總距直到飛離地面，預期目的為防止離地瞬間出現側翻或側向位置漂移;第二步為飛離地面后平穩爬升到預設離地高度，并進行自動懸停。以下為詳細實現方法：

（1）自動提距：為了消除無人直升機在起飛階段由于提距過慢導致的振動偏大現象，因而此過程總距快速提升。

（2）離地爬升：判斷無人直升機是否飛離地面，若飛離地面則接入高度通道控制律。

（3）定速爬升：提升爬升速度，最大爬升速度限制為1.5m/s，若無人直升機爬升到預設離地高度則接入懸停控制律，實現平穩懸停，并完成高度通道的自主控制。

2.2自動著陸控制

自動著陸具體控制策略如下：

（1）下滑階段：關閉懸停控制律，啟動垂向速率控制律，快速由懸停點下降到安全高度，最大下降率設定為1m/s。

（2）自動著陸：1.根據無人直升機與著

陸點的相對位置偏差實時調整其位置，使位置偏差滿足要求;2.依據起落架的承載能力，實時調節升降速度至限定范圍之內，避免對起落架造成損壞。

（3）地面降距：判斷無人直升機是否著陸，著陸后快速降低總距，并關閉各個通道控制律。

3飛控軟件設計與實現

針對有地效和無地效的不同飛行特性和自動起降控制策略，為保證不同狀態的平滑過渡，飛控軟件設計如圖1.圖2、圖3所示。高度通道控制律結構如圖4。

4半物理仿真

將設計的控制策略與控制律進行半物理仿真，該半物理仿真系統使用的飛控計算機與某型無人直升機機載飛控計算機硬件一致、自動起降控制以外控制策略一致，得到仿真結果如圖所示。自動起飛仿真結果見圖5-圖6，自動著陸仿真結果見圖7-圖8。

5試飛驗證

為驗證提出的控制方法及控制流程實際控制效果如何，在某型500kg級無人直升機上進行了試飛驗證，試驗當日平均風速小于3m/s。其中自動起飛試飛結果見圖9-圖10，自動著陸試飛結果見圖11-圖12。

6總結

從試飛結果看：

（1）自動起降過程中過渡過程和高度變化曲線平滑，達到預期控制效果;

（2）姿態平穩，姿態角變化符合控制要求;

（3）縱向與橫向位置均在2m以內;

（4）升降速度誤差小于+0.2m/s。

因此，所提出的自動起降控制方法達到了預期精度要求。

參考文獻

[1]高保方，曾國貴，廖智麟。小型無人直升機自動起降控制技術研究及驗證[J].直升機技術，2013（01）.