小型無人機橫側向飛行品質研究

閆志安 趙 健

(中電科特種飛機系統工程有限公司,四川 自貢643000)

針對目前無人機飛行品質標準的缺失,本文結合小型無人機的固有特點,選擇橫側向荷蘭滾模態對無人機橫側向飛行品質標準[1-2]進行定性和定量分析；并對算例無人機設計橫側向內回路控制器,通過對內回路控制器接通前后的算例無人機飛行性能的比較分析,實際驗證了有人機橫側向飛行品質準則對算例小型無人機的適用性,并結合小型無人機特點給出了是否適用的原因分析；根據分析的原因,對不適用的飛行品質準則進行相應的改進以滿足小型無人機橫側向飛行品質評定。

1 控制器接通前后無人機橫側向性能對比

本文以5kg 某小型無人機為研究對象,選擇設計點(h=1000m,Ma=0.05),對比控制器接通前后兩種情況下無人機的性能變化。時域方面,給算例無人機施加5°的滾轉角階躍跟蹤信號,對比兩種情況下無人機的滾轉角和側滑角的時域響應；頻域方面對比兩種情況下系統的幅值裕度Gm 和相位裕度Pm 的變化,對比如下:

1.1 時域性能對比

時域性能對比見圖1。

圖1 時域性能對比

1.2 頻域性能對比

頻域性能對比見圖2。

圖2 帶控制器前后頻域特性曲線phi/da

根據對比結果,帶控制器后無人機的橫側向時域響應顯著改善,穩定裕度顯著提高,帶控制器后無人機的橫側向飛行性能變好。

對算例無人機分別給予初始5°的側滑角和滾轉角初始擾動,控制器接通前后的滾轉角和側滑角響應結果見圖3。

由圖3 的結果可,控制器接通情況下,無人機橫側向運動都能快速收斂,滾轉角和側滑角都沒有出現振蕩且能快速收斂至初始狀態,控制器能很好的抑制荷蘭滾模態,使得橫側向性能改善。

圖3 5°初始滾轉角和側滑角擾動下的過渡過程

2 橫側向飛行品質評定

荷蘭滾模態的飛行品質主要取決于下列三個參數:自然頻率、阻尼比、總阻尼系數。國軍標GJB185-86 規范[3]中對荷蘭滾模態的自然頻率、阻尼比、總阻尼系數這三個飛行品質參數分別做出了要求(只列舉巡航階段),如表1 所示。

表1 最小荷蘭滾轉頻率及阻尼

算例無人機帶控制器前后的橫側向飛行品質參數,結果如表2 所示。

表2 橫側向荷蘭滾飛行品質對比

按照現行的有人機橫側向飛行品質評定標準,不帶控制器的算例無人機飛行品質為標準1,帶控制器的算例無人機評定也為標準1。由前面控制器接通前后的無人機橫側向飛行性能對比可知,帶控制器后算例無人機的橫側向時域和頻域性能明顯變好,荷蘭滾模態性能顯著改善。由此可見,根據現行的有人機橫側向飛行品質評定標準,得到的小型無人機橫側向飛行品質評定結果并不能準確的反映實際情況,需要根據小型無人機的特點做出適當修改才能滿足實際的評定情況[4-5]。

鑒于此,提出了一種橫側向飛行品質標準以適用于小型無人機,使用了比例系數N 來調整其標準等級,比例關系如下:

N 為選取的標準大型飛機和小型無人機的翼展之比,選取N=80,修改后的荷蘭滾飛行品質參數如上表1。

按照改進后的最小荷蘭滾轉頻率及阻尼標準來重新評價算例無人機的荷蘭滾模態性能,評價結果如表2 所示。

由表2 可以看出,依據改進的最小荷蘭滾頻率及阻尼標準,算例無人機在接通控制器后飛行品質有所改善,這也和上面荷蘭滾模態性能對比結果吻合,說明改進后的最小荷蘭滾轉頻率及阻尼標準比原先的標準更為有效合理。

3 結論

本文對帶控制器前后算例無人機的橫側向荷蘭滾模態性能進行分析對比,驗證了有人機橫側向飛行品質準則對小型無人機的適用性,提出了改進的最小荷蘭滾轉頻率及阻尼標準,通過仿真驗證表明在算例小型無人機橫側向荷蘭滾時域性能明顯變好的情況下,橫側向飛行品質評定結果能準確的反映這種變化趨勢,說明改進后的最小荷蘭滾轉頻率及阻尼標準比原先的標準更為有效合理。