自轉旋翼無人機的起飛控制研究

孫本良,曹東,薛鵬翔

(1. 南京航空航天大學,江蘇 南京 210016; 2. 中國人民解放軍95791部隊,甘肅 酒泉 735099)

0 引言

自轉旋翼無人機作為無人駕駛飛行器中的一員,它既區別于固定翼無人機與無人直升機,又同時兼備了兩者的諸多特點。在結構方面,自轉旋翼無人機具有與無人直升機類似的旋翼,但自轉旋翼無人機在飛行過程中無動力驅動旋翼的運動,僅靠前方來流的吹動實現旋翼的自轉,從而為自轉旋翼無人機提供升力。在動力方面,自轉旋翼無人機在前進方向安裝了由發動機驅動的螺旋槳,為自轉旋翼無人機提供了前進方向的動力,這一點又和固定翼無人機類似[1]。相較于固定翼無人機與無人直升機,自轉旋翼無人機具有結構簡單、操縱容易、經濟性、安全性和可靠性高等特點,在各個領域均有廣闊的市場與良好的發展前景。

自主起飛是自轉旋翼無人機飛行過程中的一個重要過程,只有實現平穩安全的起飛后,才能夠對后續的飛行過程實現進一步的控制。自轉旋翼無人機的自主起飛可劃分為預旋階段、滑跑階段、前輪離地段、三輪離地段、離地爬升段,每個階段存在一定的控制難點。由于自轉旋翼無人機的質心高、槳盤慣性大、槳盤定軸性等原因,在滑跑階段大速度糾偏易引起側翻,因此前輪糾偏具有一定的危險性。而抬前輪時的速度與旋翼轉速的匹配對平緩起飛有很大影響,若速度大旋翼轉速小,離地時易因槳盤迎角大于或臨近失速迎角而導致升力不足,出現低頭現象;若速度小旋翼轉速大,離地時易由于阻力的作用以及速度過小出現失速現象。在起飛抬前輪時壓桿動作易造成機身姿態不穩,而離地加速段需要快速建立空速和升力,對起飛姿態控制有很高的要求。本文針對某型自轉旋翼無人機,對起飛過程的各個階段進行分析與研究,設計起飛過程各控制回路的控制策略,保證無人機能夠平穩、安全地起飛。

1 自轉旋翼機工作原理

1.1 系統組成

自轉旋翼機基本構成包括旋翼系統、動力系統(發動機)、機身、垂尾和起落架。其中操縱機構包括槳盤縱傾、槳盤橫傾、方向舵、油門、剎車[2]。某型自轉旋翼無人機的結構如圖1所示。

圖1 某型自轉旋翼機結構示意圖

自轉旋翼無人機在飛行過程中,其頂部無動力旋翼隨前方相對來流吹風而自轉,不但可以為旋翼機提供升力,而且可以通過操縱槳盤縱傾或橫傾對自轉旋翼機的飛行姿態進行調整[3]。操縱槳盤縱向傾角可使槳盤平面縱向傾斜,即升力縱向傾斜,從而改變自轉旋翼機的俯仰姿態,其作用相當于固定翼無人機的升降舵或者無人直升機的縱向周期變距;操縱槳盤橫向傾角可使槳盤平面橫向傾斜,即升力橫向傾斜,從而改變自轉旋翼機的滾轉姿態,其作用相當于固定翼無人機的副翼或者無人直升機的橫向周期變距。自轉旋翼機的前進動力靠螺旋槳發動機提供,可以通過控制油門開度來控制前進推力的大小。自轉旋翼機的航向穩定與調整則依靠機體后端方向舵的舵面偏轉實現。

1.2 起飛過程分析

旋翼機起飛段是指旋翼機從跑道起點由加速滑跑到爬升至安全高度的過程,根據自轉旋翼機起飛過程中的不同運動狀態與特點,可將起飛過程分為起飛預旋段、三輪滑跑段、兩輪滑跑段、離地爬升段4個階段[4],并對各階段的控制策略進行設計。自轉旋翼機的起飛過程示意圖如圖2所示。

圖2 起飛過程示意圖

1)起飛預旋段

執行起飛任務前需對旋翼機進行安全檢查,判斷滿足安全飛行條件后,將旋翼機置于跑道上。由于旋翼機的旋翼在飛行過程中是被動旋轉的,在起飛前需讓旋翼進行預旋,使旋翼轉速達到一定轉速后方可進行滑跑。預旋過程旨在建立一定的旋翼初始轉速,使得滑跑至前輪離地時空速與旋翼轉速均在安全范圍內。在預旋階段,對象無人機槳盤由水平位置向最大傾角偏轉,剎車開啟,發動機處于怠速狀態,開啟預旋開關,等待旋翼轉速達到250r/min后斷開預旋,旋翼機進入滑跑階段。

2)地面滑跑段

預旋結束后,槳盤縱向傾角已調整至最大角度,松開剎車,發動機以最大油門進行滑跑,并在滑跑階段接入前輪糾偏控制,使旋翼機沿著跑道方向進行滑跑。隨著旋翼機的滑跑速度逐漸增大,旋翼的轉速在稍微減小后保持持續增長,對象無人機在前輪抬起時刻空速約為29m/s,旋翼轉速達到350r/min。在前輪抬起瞬間需迅速減小槳盤縱向傾角,使得旋翼產生的升力在垂直方向的分力迅速增大到足以克服重力,但槳盤縱向傾角調整幅度需要準確控制,槳盤縱向傾角減小過大會導致旋翼機前輪觸地而槳盤縱向傾角減小不足則會導致旋翼機后翻[5]。隨后旋翼機在保持兩輪滑跑短暫距離后,三輪均可離地并進入離地爬升段。

3)離地爬升段

離地爬升段是由地面滑跑到空中飛行過渡的關鍵階段,該階段需要調整旋翼機的姿態保持穩定的空速與旋翼轉速,使得旋翼機穩步爬升至安全高度。三輪離地后,斷開前輪糾偏控制,改用調整槳盤橫向傾角來平衡發動機扭力矩,保持橫側向力矩平衡。對于縱向通道,需調整槳盤縱向傾角緩慢降低,目的是增加旋翼升力水平方向的分力,迅速建立爬升所需的最佳空速。待旋翼機爬升至離地50m后達到安全高度完成起飛,進入空中爬升階段,旋翼機接入空速與高度控制,使旋翼機在空中穩定飛行。

對象旋翼機在起飛各階段的配平狀態表如表1所示。

表1 旋翼機的配平狀態

2 無人旋翼機起飛控制策略

無人自轉旋翼機的起飛過程主要目的是使旋翼機能夠以穩定的姿態爬升至安全高度,從而轉入空中飛行。其中旋翼機由滑跑轉離地爬升過程對起飛安全影響最大,需對其進行縱向與橫側向控制,保證旋翼機安全離地起飛與力矩平衡。

2.1 縱向控制策略

自轉旋翼機的旋翼在相對來流的驅動下旋轉為旋翼機提供升力,通過控制旋翼槳盤縱向傾角改變旋翼升力的大小,從而對旋翼機進行縱向控制。

在預旋階段槳盤縱傾被調整至最大,為保證滑跑階段縱向通道的穩定性,接入俯仰角速率控制起到提前抑制機身俯仰角變化的作用,減小抬頭瞬間后翻的風險。在前輪離地瞬間需迅速減小槳盤縱傾[6],但會造成縱向穩定性突變,所以對象旋翼機采用提前減小槳盤縱向傾角的方式,保證前輪離地瞬間的安全性。旋翼機兩輪滑跑過程中需加入俯仰角比例與微分(PD)控制,調整俯仰角姿態使旋翼機三輪離地,離地后對俯仰角PD控制系數進行微調,保證旋翼機穩定爬升至安全高度。

2.2 橫側向控制策略

在起飛過程中,自轉旋翼機主要通過操縱前輪舵機和槳盤橫向傾角完成對橫側向姿態的控制,前輪舵機主要用于滑跑糾偏,槳盤橫傾主要用于保持滾轉力矩的平衡。

在滑跑過程中,因風的干擾、旋翼結構不對稱、跑道不平整等干擾因素,會導致旋翼機相對跑道出現一定的偏航與側偏,因此在滑跑階段需接入前輪糾偏控制[7]。同時高速滑跑會帶來較大的慣性,如果前輪糾偏過大使得前輪方向與速度方向有較大偏差,產生的側力可能導致機體發生側翻。因此對前輪糾偏策略低速段采用具有一定糾偏能力減小初始偏航和初始側偏,而高速段則降低糾偏控制幅度。在前輪抬起后保持前輪糾偏控制并加入滾轉角反饋控制,確保旋翼機保持姿態安全離地。三輪離地后,轉入加速爬升段,斷開前輪糾偏控制,改用槳盤橫傾調整自轉旋翼機的航向穩定。

3 控制回路設計

3.1 縱向控制回路設計

起飛過程縱向控制回路如圖3所示,通過基于槳盤縱傾的俯仰角PD控制調整縱向姿態,將旋翼機俯仰角保持在給定范圍內,保證系統具有良好的動態特性和阻尼特性。

圖3 縱向控制回路

(1)

三輪離地后,需進一步減小槳盤縱傾以達到提高旋翼轉速的目的,將δe_trim調整為-3°,其他系數保持不變。待旋翼機爬升至安全高度后完成起飛,接入空中爬升控制律實現對空中姿態的控制。

3.2 橫側向控制回路設計

旋翼機在自主起飛過程中,采用前輪、方向舵和槳盤橫傾分時分段的組合控制方法,實現起飛過程中的航向和糾偏控制,橫側向控制回路如圖4所示。

圖4 橫側向控制回路

(2)

4 仿真驗證

為了驗證設計的控制策略和控制律,以FlightGear飛行模擬器上的JT-5B自轉旋翼機作為控制對象,設計了等效飛控軟件。等效飛控軟件通過UDP端口對FG輸出native-ctrls數據包,以控制對象飛行器的氣動舵面和發動機,驅動飛行器的運行;通過UDP端口接收FG輸出的native-fdm數據包,以獲得對象飛行器的飛行狀態參數[9]。所設計的仿真系統結構框圖如圖5所示。

圖5 仿真系統結構框圖

對FlightGear環境配置步驟如下,將機型文件放置在安裝路徑的Aircraft文件下后,即可選擇使用對象無人機,設置初始在機場跑道上,時間為白天,初始仿真狀態暫停,對命令設置如下:

--native-fdm=socket,out,100,127.0.0.1,8050,udp

--native-ctrls=socket,in,100,127.0.0.1,8080,udp

通過等效飛控軟件發送起飛指令后,經過控制律解算發送ctrls數據包驅動FlightGear中的機型運動,觀察FlightGear內無人機的運動狀態以及反饋的fdm飛行參數數據并繪制圖像。

無人機執行起飛指令后的高度與速度變化曲線分別如圖6—圖7所示。圖中高度為海拔高度。從仿真結果可知,初始高度約為152.7m,旋翼機預旋67s左右后斷開預旋并開始加速滑跑,在82s左右開始離地逐步爬升,在三輪離地后爬升速率有短暫略微變化,隨后穩定爬升,在100s左右達到200m安全高度完成起飛,此時接入空中爬升控制律進入飛行狀態。

圖6 高度變化曲線

圖7 速度變化曲線

槳盤縱傾、俯仰角與俯仰角速率變化曲線如圖8所示。在前輪離地時刻俯仰角速率與俯仰角突變增大,接通俯仰角PD控制抑制了俯仰角速率的增大,并通過提前減小槳盤縱傾的共同作用可防止旋翼機產生后翻。三輪離地后進一步減小槳盤縱傾使得俯仰角速率降低后逐漸回調,從而引起俯仰角短暫減小后繼續增大,在100s左右,槳盤縱傾操縱趨于穩定,俯仰角速率趨于0,俯仰角也趨向于穩定,等待接入空中爬升控制律,維持空中飛行狀態穩定。

圖8 縱向模態曲線

槳盤橫傾、前輪變化曲線如圖9所示,預旋結束后旋翼機航向與起飛航向有略小偏差,斷開預旋后前輪糾偏接通,使得前輪偏轉,最終在低速段調整至-1°左右后,高速段減小控制幅度,前輪偏轉減小,前輪離地后,接通滾轉角反饋控制,副翼發生偏轉;三輪離地后,斷開前輪糾偏控制前輪偏轉歸0,副翼進一步調整控制橫側向穩定。

圖9 槳盤橫傾與前輪變化曲線

滾轉角、滾轉角速率、偏航角速率變化曲線如圖10所示。三輪滑跑后接通前輪糾偏控制,偏航角速率波動,旋翼機開始調整航向;兩輪滑跑段接通滾轉角控制,滾轉角調整趨于0°,三輪離地后斷開了前輪糾偏控制,改用槳盤橫傾控制,各變量小幅跳變后調整至新的平衡狀態,旋翼機維持該橫側向的穩定狀態起飛。

圖10 橫側向模態曲線

聯立等效飛控軟件與FlightGear軟件進行仿真,飛行效果如圖11所示,對象旋翼機可較好完成滑跑到起飛過程,并能在達到安全高度后平滑接入空速控制、高度控制等空中控制策略,使無人旋翼機在空中進一步穩定飛行。

圖11 仿真效果圖

5 結語

自轉旋翼無人機的起飛過程較為復雜,需根據旋翼機的不同運動狀態劃分為多個過程。橫側向控制方案可根據低速滑跑段、高速滑跑段、前輪離地段、三輪離地段等不同階段采取相應的控制策略;縱向控制方案可根據預旋階段、滑跑段、前輪離地段、三輪離地段采取相應的控制策略。對每個過程的控制策略進行設計,保證旋翼機在起飛過程中橫向與縱向姿態的穩定性,確保無人機能夠安全起飛。