一種小型無(wú)人機(jī)滑跑糾偏控制研究

胡天翔

摘 要：該文根據(jù)小型無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其地面滑跑控制結(jié)構(gòu)和控制律設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了前輪及方向舵糾偏控制方案和控制結(jié)構(gòu)，分析了包括前起落架、路面狀況、剎車系統(tǒng)、側(cè)風(fēng)等因素對(duì)糾偏控制效果的影響，依據(jù)起飛滑跑和著陸滑跑糾偏控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了地面滑跑試驗(yàn)驗(yàn)證方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 滑跑 飛行控制 糾偏

在無(wú)人機(jī)的滑跑糾偏控制中一般對(duì)大型無(wú)人機(jī)有較深入的研究，但對(duì)小型無(wú)人機(jī)因其起降方式多樣，有的采用滑跑方式進(jìn)行，有的采用噴灑方式進(jìn)行，沒有過(guò)多進(jìn)行系統(tǒng)性研究，在此對(duì)這部分空缺的內(nèi)容進(jìn)行研討，以完善相應(yīng)的技術(shù)空白。

1地面滑跑糾偏控制方案及結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制律和方向舵糾偏控制律，前輪轉(zhuǎn)向控制和方向舵控制同時(shí)作用于無(wú)人機(jī)，通過(guò)這兩個(gè)控制通道控制律的運(yùn)算產(chǎn)生前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制指令和方向舵糾偏控制指令，為保證無(wú)人機(jī)在滑跑過(guò)程中前輪糾偏控制和方向舵糾偏控制的無(wú)縫切換，將方向舵糾偏控制律經(jīng)過(guò)分配器與前輪偏轉(zhuǎn)控制律一起產(chǎn)生前輪偏轉(zhuǎn)控制指令，進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩控制無(wú)人機(jī)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，使無(wú)人機(jī)側(cè)偏處于安全的范圍內(nèi)。

側(cè)偏距為主反饋信號(hào)，由于前輪轉(zhuǎn)向控制響應(yīng)比較靈敏，引入側(cè)偏速度和偏航角速度以改善糾偏控制動(dòng)態(tài)性能，這些信號(hào)進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制律，由前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制律產(chǎn)生前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制指令。另外，側(cè)偏距同時(shí)作為主反饋信號(hào)與偏航角、偏航角速度一起進(jìn)入方向舵糾偏控制律，由于方向舵控制響應(yīng)相對(duì)較慢，此處采用偏航角和偏航角速度來(lái)改善糾偏控制的動(dòng)態(tài)性能，方向舵糾偏控制律產(chǎn)生方向舵指令進(jìn)入方向舵回路使方向舵產(chǎn)生偏航力矩進(jìn)行糾偏。為實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向控制和方向舵控制之間的平滑過(guò)渡，分配器的設(shè)計(jì)為：將方向舵糾偏控制律的控制參數(shù)按一定的傳動(dòng)比生成前輪轉(zhuǎn)向糾偏控制律的控制參數(shù)?；芗m偏過(guò)程中，滾轉(zhuǎn)內(nèi)回路同時(shí)工作，可防止飛機(jī)在糾偏運(yùn)動(dòng)中由于轉(zhuǎn)彎離心力、側(cè)風(fēng)等因素導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)角過(guò)大，使轉(zhuǎn)彎過(guò)程中出現(xiàn)側(cè)翻的危險(xiǎn)。

地面滑跑階段，無(wú)人機(jī)橫側(cè)向控制律具體表達(dá)式為：

； ；

其中， 為副翼舵偏值；P為滾轉(zhuǎn)角速率； 為滾轉(zhuǎn)角； 為滾轉(zhuǎn)角指令； 和 分別是副翼通道微分項(xiàng)與比例項(xiàng)的控制增益。

為前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度； 為偏航角速率； 為飛機(jī)相對(duì)跑道中心線的側(cè)偏距； 為側(cè)偏速率，可用下式求得：

式中， 為地速； 為無(wú)人機(jī)航向指令； 為無(wú)人機(jī)的當(dāng)前地速方向。

為前輪的偏航角速率控制增益； 為前輪的側(cè)偏速率控制增益； 為前輪的側(cè)偏距控制增益。

為方向舵偏角； 為方向舵的偏航角速率控制增益； 為方向舵的偏航角控制增益； 為方向舵的側(cè)偏控制增益。

、 和 均經(jīng)過(guò)限幅后得到 、 、 送給輸出回路。

分配器的設(shè)計(jì)具體如下：

； ；

其中， 為從方向舵到前輪的分配系數(shù)。

2地面滑跑調(diào)參試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1滑跑糾偏控制要求

通過(guò)滑跑試驗(yàn)來(lái)調(diào)試糾偏控制參數(shù)，首先需明確糾偏控制要求。無(wú)人機(jī)在地面滑跑段的控制要求體現(xiàn)在：（1）偏航角速率不能太大，即保證滑跑過(guò)程中機(jī)體不能出現(xiàn)明顯的擺動(dòng)；（2）無(wú)人機(jī)相對(duì)跑道中心線的側(cè)偏距要保持在容許的范圍內(nèi)，防止滑跑過(guò)程中由于跑道路況、側(cè)風(fēng)干擾等因素使無(wú)人機(jī)沖出跑道的情況；（3）滑跑過(guò)程中無(wú)人機(jī)機(jī)頭航向與跑道中心線航向的夾角應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，不應(yīng)出現(xiàn)大角度糾偏甚至拐彎等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

2.2糾偏控制影響因素

無(wú)人機(jī)在滑跑糾偏過(guò)程中，影響糾偏控制效果的因素很多，該文提出的控制方案，在試驗(yàn)過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮四個(gè)方面的內(nèi)容：（1）前輪空回；（2）路面狀況；（3）剎車影響；（4）突風(fēng)影響。前輪空回的大小直接影響控制的精度，前輪空回越小控制效果越好。前輪空回包括前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)的空回和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空回（傳動(dòng)桿間的連接間隙、輪軸與機(jī)輪間的固定間隙等），這兩種空回在起落架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，一般應(yīng)小于 。

路面狀況主要考慮路面坡度和路面凹凸的影響。路面坡度與主起落架兩個(gè)機(jī)輪胎壓不一致對(duì)控制的影響相同，主要影響滑跑時(shí)的側(cè)偏靜差，不同的跑道路面坡度不同，即使同一條跑道對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)回滑跑時(shí)的糾偏影響也不同。因此無(wú)人機(jī)在滑跑前必須通過(guò)無(wú)控制自由滑行試驗(yàn)，不斷調(diào)試前輪的零位，確保前輪零位在合適的范圍內(nèi)，以消除側(cè)偏靜差。路面凹凸主要影響滑跑安全，有可能導(dǎo)致前起落架損壞甚至無(wú)人機(jī)側(cè)翻。

剎車系統(tǒng)雖不進(jìn)行左右機(jī)輪差動(dòng)糾偏，但由于左右剎車機(jī)構(gòu)不對(duì)稱性，在滑跑中應(yīng)急減速時(shí)，會(huì)造成無(wú)人機(jī)機(jī)頭向剎車力矩較大的一側(cè)猛烈擺動(dòng)，在速度較快時(shí)可能使無(wú)人機(jī)側(cè)翻或沖出跑道。盡管地面滑跑時(shí)間很短，期間可能受突風(fēng)影響使無(wú)人機(jī)晃動(dòng)，滑跑軌跡偏離跑道中心線?；芗m偏控制應(yīng)能及時(shí)平穩(wěn)地將無(wú)人機(jī)控回到安全范圍內(nèi)，而又不至于產(chǎn)生太大的超調(diào)。

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于無(wú)人機(jī)在起飛段和著陸段進(jìn)入滑跑糾偏的初始狀態(tài)不同，進(jìn)行控制律調(diào)參試驗(yàn)時(shí)所考慮的重點(diǎn)也有所不同。

起飛段調(diào)參試驗(yàn)初始條件設(shè)計(jì)為：（1）使無(wú)人機(jī)停在跑道中心線上，將側(cè)偏距幾乎為零；（2）使無(wú)人機(jī)的機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)跑道中心線，將機(jī)頭與跑道中心線的航向偏差幾乎為零。在進(jìn)行起飛段調(diào)參試驗(yàn)時(shí)，升降舵應(yīng)產(chǎn)生低頭力矩，防止由于滑跑速度過(guò)快，無(wú)人機(jī)意外離地起飛。發(fā)送“滑跑”指令后，無(wú)人機(jī)由靜止開始加速滑跑，在達(dá)到設(shè)定滑行速度后停車。逐步增加設(shè)定滑行速度直至離地速度，可完成起飛段的控制律調(diào)參。

無(wú)人機(jī)接地前受側(cè)風(fēng)的影響，可能存在較大側(cè)偏和航向偏差，因此在設(shè)計(jì)著陸滑跑糾偏試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在無(wú)人機(jī)以接地速度滑行的狀態(tài)下，產(chǎn)生一定的側(cè)偏，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在快速滑行狀態(tài)下的就側(cè)偏能力。

3糾偏控制律參數(shù)設(shè)計(jì)

滑跑糾偏控制律參數(shù)設(shè)計(jì)就是確定控制律表達(dá)式中各增益的值。

在低速滑跑段，前輪糾偏起主要作用，需要確定 、 和 值。這三個(gè)參數(shù)的確定過(guò)程為：（1）給定 、 和 的參考值；（2） 的確定：無(wú)人機(jī)在滑跑過(guò)程中，可能出現(xiàn)機(jī)頭擺動(dòng)的情況，調(diào)整 的值，使機(jī)頭的擺動(dòng)在合理的范圍內(nèi)；（3） 的確定：無(wú)人機(jī)在速度較低的情況下，滑跑平穩(wěn)，但隨著滑跑速度的增加，出現(xiàn)機(jī)身在跑道中心線兩側(cè)晃動(dòng)的情況，即“畫龍”現(xiàn)象，調(diào)整 的值，使無(wú)人機(jī)沿跑道中心線呈直線滑跑；（4） 的確定：在滑跑前，將無(wú)人機(jī)偏離跑道中線一定距離，觀察滑跑過(guò)程中的側(cè)偏控制能力。如果參數(shù) 過(guò)大，雖然糾偏響應(yīng)速度較快，但容易產(chǎn)生較大的超調(diào)；如果參數(shù) 過(guò)小，則糾偏響應(yīng)過(guò)程較慢，有可能影響起飛安全。因此調(diào)整 的值，使無(wú)人機(jī)在有初始側(cè)偏或航向偏差的情況下能夠快速而無(wú)超調(diào)的進(jìn)入跑道中心線。

在中速和高速滑跑段，方向舵開始糾偏需要確定 、 、 和 的值。高速段 和 設(shè)計(jì)與低速段 、 和 的設(shè)計(jì)類似。 與前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)到前輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān)，在相同狀態(tài)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的條件下，是中速段滑跑調(diào)參的關(guān)鍵。如低速段控制參數(shù)已經(jīng)確定，中速段滑跑存在機(jī)頭擺動(dòng)、“畫龍”等控制效果不太理想的情況，可放大或減小高速段相應(yīng)的控制參數(shù)值，而同時(shí)減小或放大 的值，來(lái)保證低速段糾偏理想效果，同時(shí)修正中速段滑跑效果。

4試驗(yàn)分析

將控制律設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在某型無(wú)人機(jī)完成了控制律的設(shè)計(jì)中。經(jīng)滑跑試驗(yàn)確定的最終控制律參數(shù)如表1所示。

表1 滑跑糾偏控制參數(shù)

參數(shù)

數(shù)值 0.32 1.6 1 0.375 5°

第一次試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)滑跑前初始側(cè)偏為0.2647m，初始航向偏差為2.115°，即無(wú)人機(jī)對(duì)準(zhǔn)跑道中心線。無(wú)人機(jī)起飛滑跑過(guò)程中，最大側(cè)偏為-0.5m， 最大偏航角速率為-2.893°/s，最大航向偏差為-1.215°，最大滾轉(zhuǎn)角為-0.8951°，無(wú)人機(jī)在地速達(dá)到28.96m/s時(shí)離地起飛，滑跑過(guò)程低速段和高速段過(guò)渡平穩(wěn)，滿足起飛要求。

第二次試驗(yàn)中，著陸滑跑數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)人機(jī)接地前初始速度為21.14m/s，初始側(cè)偏為-0.97m，初始航向偏差為-0.23°，滑跑過(guò)程中最大側(cè)偏為-1.677m，最大偏航角速率為3.813°/s，最大航向偏差為1.79°，最大滾轉(zhuǎn)角為-0.941°，無(wú)人機(jī)接地后快速平穩(wěn)無(wú)超調(diào)的滑向跑道中心線，停機(jī)時(shí)距跑道中心線的側(cè)偏距為-0.2648m，且滑跑過(guò)程無(wú)明顯的機(jī)頭擺動(dòng)，接地滑跑過(guò)程安全，沒用應(yīng)急剎車。

通過(guò)滑跑試驗(yàn)調(diào)參，設(shè)計(jì)糾偏控制律參數(shù)，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向控制和方向舵控制的無(wú)縫切換。針對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)際起降滑跑試驗(yàn)分析，驗(yàn)證滑跑糾偏控制方案和結(jié)構(gòu)合理可行，使控制律設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效、控制效果良好、滿足小型無(wú)人機(jī)輪式起降滑跑要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)輪式起降方式的無(wú)人機(jī)，該文提出了前輪和方向舵聯(lián)合糾偏控制方案和控制結(jié)構(gòu)，特別適用于小型無(wú)人機(jī)的滑跑糾偏；結(jié)合糾偏控制要求，分析影響控制方案糾偏效果的影響因素，這些因素是開展滑跑試驗(yàn)及控制律設(shè)計(jì)所須考慮的。同時(shí)設(shè)計(jì)了起飛和著陸滑跑試驗(yàn)，并探討了控制參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，避免了常規(guī)控制設(shè)計(jì)需要精確建模所帶來(lái)的繁瑣和局限性。經(jīng)實(shí)際飛行驗(yàn)證，該方法切實(shí)可行，可有效提升無(wú)人機(jī)糾偏控制律的設(shè)計(jì)效率。

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