輪式無人機自動駛入駛出控制技術

宋輝　張健　陳宜軍

摘? 要：針對輪式起降無人機跑道利用效率低、跑道占用時間長這一難題，通過分析無人機在地面的滑行受力情況，建立無人機三輪滑跑運動模型，提出了一種自動判斷停機位置是否滿足滑行要求、自動控制速度、自動故障處置的智能化駛入駛出控制技術，并支持過程中斷后再次駛入駛出。滑行試驗表明，駛入駛出各項控制功能性能均符合設計邏輯，使用方式靈活，智能化程度高，能滿足不同機場、不同停機位置的工程使用需求。

關鍵詞：輪式起降;無人機;自動駛入駛出;自動控制;智能化

中圖分類號：V279? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0024-04

Abstract： Regarding the problem of low utilization efficiency and long occupation of runway by wheeled takeoff & landing UAVs， based on the analysis of force condition of UAVs in ground motion， a kinematic model of UAV with all wheels in ground motion has been established and an intelligentized taxi-in & taxi-out control strategy has been put forward， through which it can be automatically determined whether parking position satisfies taxiing requirement， speed can be controlled automatically， and emergency treatment of failures can be executed automatically. It also supports taxi-in & taxi-out again after interruption of taxiing. The results of actual taxiing tests indicated that all functional performances of taxi-in & taxi-out control conform to design logic with flexible application and high intelligence， which is capable of meeting the operational requirements of various airfields and parking positions.

Keywords： wheeled takeoff & landing; UAV; auto taxi-in & taxi-out; automatic control; intelligentized

引言

對于具有前三點式起落架結構布局的輪式無人機，地面滑行是無人機飛行的一個重要組成部分。與有人機不同，由于前視攝像機視場較小、數據鏈路延時等因素，一般情況下無人機通過牽引完成駛入駛出過程，從而導致起飛準備時間較長，著陸后需要人工拖離跑道，浪費了大量時間，降低了跑道使用效率[1]，而增加無人機起飛前自動從停機位駛入至跑道起飛點和著陸后直接從跑道駛出的能力可有效解決上述問題。

本文利用某前三點式起落架無人機的三輪滑跑模型，通過分析計算該無人機的轉彎半徑，設計合適的航跡/速度制導和控制策略及控制律，并結合樣例無人機氣動布局、系統配置、動力輸出特性等實際特點，實現了樣例無人機的自動駛入駛出，并已開始工程化使用。

1 使用模式

為覆蓋大多數機場與不同停機位置自動駛入駛出的要求，同時考慮在駛入駛出過程中出現異常中斷后繼續駛入駛出的情況，設計了三種不同類型的駛入方式，分別為跑道駛入、滑行線駛入和停機坪駛入方式，分別對應于無人機從跑道駛入至起飛點、從某一牽引道/滑行道駛入至起飛點和從停機坪駛入至起飛點，同時每種駛入方式對飛機停機位有不同的要求（距滑行點距離、距滑行線的垂直距離、航向偏差、側偏、地速等），分別如圖1、圖2、圖3所示。

自動駛出僅包含有一種情況，即從跑道上駛出，駛出過程中如遇中斷后需繼續駛出，其對飛機停機位置的要求與滑行線駛入方式相同。

實際使用時，控制系統將實時判斷飛機位置是否滿足上述要求，并給出具體的狀態提示，引導地勤人員正確擺放飛機，保證其滿足自動駛入要求。

2 駛入駛出控制

2.1 地面操縱轉彎半徑計算

駛入駛出過程中，地面操縱轉彎半徑直接影響到無人機的制導與軌跡控制精度，是影響駛入駛出控制性能的重要參數。

當無人機在地面轉彎滑行時，其向心力是由地面作用在機輪上的側向力提供的[2]，不考慮機輪偏滾和無人機側滑的條件下，無人機前輪轉彎時的幾何關系如圖4所示。

上述幾何關系中，各變量定義如下：

B-主輪距 L-前主輪距

t-前輪穩定距 a-前起支柱到重心距離

θ-前輪轉彎角 b-主起支柱到重心距離

根據圖4中的幾何關系，不難得出樣例無人機內外側主輪處的轉彎半徑如圖5所示。

2.2 駛入駛出預處理

為滿足實時判斷飛機是否滿足駛入駛出條件的要求，增加駛入駛出預先處理模塊，在駛入駛出航路加載至計算機后，實時計算飛機當前所在航段、判斷當前駛入駛出方向以及判斷當前位置是否滿足駛入駛出限制條件，駛入駛出預處理模塊的計算結果，將決定系統是否滿足開始滑行的條件，否則系統將禁止駛入駛出指令。

自動駛入預處理模塊在完成航路加載后立即啟動，判斷飛機當前狀態是否滿足駛入條件。當無人機處于自動駛入過程中時，駛入預處理模塊停止計算。當無人機遭遇故障或人為中止退出駛入過程后，預處理模塊即時啟動并再次開始判斷。

自動駛出預處理模塊在駛入結束后、滑行任務剎車后、起飛過程應急剎車后以及著陸接地后均自動啟動，判斷飛機當前狀態是否滿足駛出條件。當無人機處于自動駛入過程中時，駛入預處理模塊停止計算。當無人機遭遇故障或人為中止退出駛入過程后，預處理模塊即時啟動并再次開始判斷。

預先處理模塊在駛入駛出過程中不執行，自動駛入、駛出預先處理模塊的邏輯流程分別如圖6、圖7所示。

經過駛入駛出預處理后，系統將給出當前飛機所在的航段，同時給出駛入駛出的預處理狀態，用于表征當前飛機位置是否滿足所有的限制條件。當駛入條件不滿足或者駛出條件不滿足時，系統不響應駛入駛出遙控請求。

當自動駛入狀態滿足三種駛入方式的一種，自動駛出狀態為“駛出允許”，則系統響應駛入駛出遙控請求。

2.3 導航與制導

當無人機收到駛入駛出遙控指令，且駛入駛出預處理結果滿足駛入駛出要求，則駛入駛出導航與制導模塊立即執行，其輸出的待滑行距離、側偏距等參數將用于速度和軌跡控制。導航與制導流程如圖8所示。

2.4 控制策略與控制律

駛入駛出控制律由軌跡跟蹤控制律與地速保持控制律組成，其中軌跡跟蹤控制律用于保證無人機駛入駛出過程中始終沿預定的軌跡線滑行，而地速保持控制律則用于保證無人機駛入駛出過程中按預定的速度策略加速/減速滑行。

（1）軌跡跟蹤控制。駛入駛出階段，無人機速度相對較低，方向舵效率不足，因此采用前輪糾偏與差動剎車來完成對預定軌跡的跟蹤控制。其中直線滑行段，僅采用前輪糾偏控制來跟蹤預定軌跡;轉彎滑行段，當無人機航跡角與制導模塊計算得出的應滑航跡角指令相差超過一定角度，為減小轉彎半徑，采取差動剎車與前輪開環控制的方式轉彎，當無人機航跡角與制導模塊計算得出的航跡角指令相差小于一定角度，則退出差動剎車和前輪開環控制，接入前輪自動糾偏控制律。軌跡跟蹤控制策略如表1所示。

前輪糾偏控制律以側偏距和偏航角為外回路，以偏航角速率為內回路，并引入側偏積分提高對直線段的軌跡跟蹤能力。前輪糾偏控制律框圖如圖9所示。

差動剎車僅用于轉彎滑行階段，控制分配模塊根據對稱剎車指令（由地速保持控制律給出）和差動剎車指令的大小，分別生成左右剎車指令，用于減小無人機在轉彎過程中的轉彎半徑。差動剎車控制律框圖如圖10所示。

（2）地速保持控制。利用制導模塊給出的距目標點的待滑行距離確定滑行速度指令，以利于把握直線滑行階段開始減速的時機，并最大程度的減小跑道占用時間。考慮到地面滑行階段，風門對速度的控制響應較慢，無法保證速度控制精度。因此滑行過程中采用風門開環策略，以對稱剎車為主要控制手段，完成對地速的精確控制。

對稱剎車控制律以離散控制方式進行，對稱剎車表示為左右剎車滿剎，而松剎則表示為左右剎車松開剎車。對稱剎車控制與差動剎車控制綜合，最終輸出左右剎車指令，如表2所示。

2.5 故障自動處置

駛入過程中，當機載系統出現影響起飛的一系列故障（傳感器故障、舵系統故障、動力系統故障等），立即終止自動駛入，并應急剎車，同時駛入預處理模塊啟動，實時判斷飛機位置是否滿足再次駛入要求，并返回自動駛入狀態;駛出過程中，僅針對機載系統出現影響駛出的一系列故障（前輪轉彎舵機故障、風門舵機故障、GPS信號丟失等），系統自動中止自動駛出，并應急剎車，同時啟動駛出預處理模塊，實時判斷飛機當前位置否則滿足再次駛出要求。

3 試驗驗證

為驗證以上駛入駛出預處理算法、軌跡跟蹤、地速保持控制策略與控制律的有效性，進行了樣例無人機實際駛入駛出試驗驗證。試驗過程中，通過將飛機擺放于不同的停機位置，驗證了自動駛入功能的正確性與完整性;通過采用不同的駛出方式（滑行后駛出、駛入結束后駛出），驗證了自動駛出功能的正確性與完整性。本文以停機坪駛入、駛入后立即駛出方式為例，將飛機初始垂直停放于距滑行線約200米的停機坪，隨后自主駛入至起飛點，到達起飛點后隨即自主駛出，直至飛機最終剎停于預先規劃的駛出停止點，駛出停止點位于滑行道上，其相對起飛點的機場坐標為[2019.3，-217]。駛入駛出過程所獲得的試驗曲線如圖11～14所示。

由圖11～14可以看出，無人機從機場坐標為[5，-220]的停機位開始自動駛入，初始航向約為287°（垂直于目標滑行線），第533s左右無人機開始左轉彎，由于導航模塊目標航段切換，產生約-21m的側偏距，而無人機轉彎完成時的側偏距約為-2.6m，反應出無人機實際轉彎半徑約為18.4m，與理論計算得出的19.5m基本吻合，且實際轉彎半徑偏小與轉彎過程中啟用差動剎車相關;直線駛入階段的最大速度約為17km/h，隨后隨著無人機距轉彎目標點越來越近，在地速控制律作用下，速度逐漸降低至8km/h，并以8km/h轉彎;自動駛入全程，無人機側偏控制在±2m范圍內（-21m的側偏距由于航段切換產生，非控制誤差），速度控制誤差在±2km/h范圍內，無人機最終停止于機場坐標[-0.4，0]處，反應出無人機能精確剎停于起飛點，并自動退出駛入過程，等待起飛或駛出命令。

駛入過程結束后，無人機從機場坐標為[-0.4，0]的起飛點直接自動駛出，駛出過程由于距轉彎目標點的距離長達2800m，因此駛出過程中最大速度達50km/h，在距轉彎點距離為500m時，系統控制無人機自動減速，并在距轉彎點100m處減速至8km/h，隨后以8km/h轉彎，側偏距變化趨勢與自動駛入過程一致，均小于2m，駛出全程偏航角均小于3°，并最終停止于機場坐標[2019，-216.8]處，與預先標定的駛出停止點相差小于0.5m，反應出飛機能精確停止于預先規劃的駛出停止點。

綜上，實際滑行驗證試驗表明，樣例無人機的駛入駛出采用了智能化設計理念，功能完整，控制精度較高，使用靈活方便，滿足了實際工程應用的需求。

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