無人機(jī)飛行姿態(tài)檢測及控制研究

廣西機(jī)場管理集團(tuán)有限責(zé)任公司 羅 浩

一、前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，科技也得以相應(yīng)的進(jìn)步，再加上我國在軍事方面的思想轉(zhuǎn)變，無人機(jī)逐漸在我國的軍隊(duì)上得以廣泛應(yīng)用，同時(shí)，我國許多企業(yè)，例如地質(zhì)勘測等也都使用無人機(jī)，因此其在民用上也得以無廣泛的應(yīng)用?？傊瑹o人機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，不論是用于攻擊、偵查，還是測繪、航拍，都需要平穩(wěn)的飛行姿態(tài)。因此需要對無人機(jī)飛行的姿態(tài)進(jìn)行檢測研究，確保無人機(jī)能夠進(jìn)行平穩(wěn)的飛行。

二、自動駕駛儀的原理

所謂的自動駕駛儀，就是一種比較常用的反饋控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要是對無人機(jī)上的駕駛員進(jìn)行代替，對飛機(jī)的飛行進(jìn)行控制。圖1主要是自動駕駛儀與無人機(jī)進(jìn)行結(jié)合，組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 自動駕駛儀組成的閉環(huán)系統(tǒng)

由圖1可知，如果飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，發(fā)生偏離，系統(tǒng)中的敏感元件就會對飛機(jī)飛行時(shí)所偏離的實(shí)際方向得以感受，以此對相應(yīng)的信號進(jìn)行傳輸，同時(shí)通過對放大計(jì)算裝置的運(yùn)用，對無人機(jī)出現(xiàn)偏離的狀況進(jìn)行處理，然后對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用，使控制面對發(fā)生的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行修正。因此這一閉環(huán)系統(tǒng)在進(jìn)行連接的時(shí)候，主要是對負(fù)反饋原則進(jìn)行運(yùn)用，因此此系統(tǒng)在對無人機(jī)進(jìn)行控制的時(shí)候，就會使無人機(jī)在飛行的時(shí)候變回原先的狀態(tài)[1]。如果飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候變回到原先的狀態(tài)，敏感元件所傳出的信息就會變?yōu)榱?，同時(shí)系統(tǒng)中其他相關(guān)的控制面也都會變回原先的狀態(tài)，這樣無人機(jī)在飛行的時(shí)候，就會根據(jù)所預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行飛行。

三、無人機(jī)控制原理

（一）無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)的控制中心，無人機(jī)能夠進(jìn)行自主導(dǎo)航以及自主飛行控制都依賴于這個(gè)指揮控制中心。其最主要的組成部分就是計(jì)算機(jī)，同時(shí)由相關(guān)的感應(yīng)系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)共同組成的，一個(gè)封閉環(huán)形的控制系統(tǒng)。

在對無人機(jī)進(jìn)行飛行時(shí)，其控制系統(tǒng)的原理就是，無人機(jī)在空中進(jìn)行巡航的時(shí)候，就會傳回相關(guān)的巡視數(shù)據(jù)，這一系統(tǒng)就是對該數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，同時(shí)，檢測的相應(yīng)數(shù)據(jù)，就會及時(shí)的在飛機(jī)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行匯集[2]。例如，無線電的高度表將相關(guān)高度的信息進(jìn)行回傳時(shí)，同時(shí)也會將無人機(jī)的相關(guān)飛行狀態(tài)以及信息進(jìn)行回傳，而GPS的應(yīng)用，也會將相關(guān)的位置信息進(jìn)行回傳等，對于這些數(shù)據(jù)，都將通過控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算以及處理，然后通過一系列相關(guān)的控制方法以及策略，就可以計(jì)算出每個(gè)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，然后將這些控制量分配到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，從而完成對無人機(jī)的控制。

對無人機(jī)進(jìn)行控制，最主要的就是無人機(jī)在進(jìn)行飛行以及完成任務(wù)的時(shí)候，能夠按照人的意志進(jìn)行完成，從而使飛行系統(tǒng)能夠?qū)︼w機(jī)實(shí)現(xiàn)有效的控制。因此，想要使無人機(jī)在飛行的時(shí)候，飛行運(yùn)動能夠得以簡化，飛機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員就需要對飛機(jī)的縱向運(yùn)動、橫側(cè)向運(yùn)動進(jìn)行研究。

（二）無人機(jī)縱向控制策略

無人機(jī)在進(jìn)行縱向運(yùn)動的時(shí)候，通常就是指無人機(jī)在垂直地面上進(jìn)行運(yùn)動，其通常是指縱向角運(yùn)動和縱向線運(yùn)動。

飛機(jī)的縱向角運(yùn)動，其主要是對飛機(jī)飛行的仰角進(jìn)行制定，飛機(jī)按照指定的仰角進(jìn)行飛行，而飛機(jī)的俯仰角，在對無人機(jī)進(jìn)行角運(yùn)動的時(shí)候，通常都是以飛機(jī)的俯仰角進(jìn)行控制，而俯仰角的數(shù)值來源，通常是通過慣性測量單元對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取。同時(shí)，在對俯仰角進(jìn)行控制的時(shí)候，所能夠運(yùn)用到的方法雖然有很多種，但是隨著遺傳算法的不斷發(fā)展，以及其所具有的優(yōu)越性，當(dāng)前在無人機(jī)進(jìn)行控制方法中使用的最為廣泛。在控制飛機(jī)進(jìn)行角運(yùn)動時(shí)，飛機(jī)飛行時(shí)所產(chǎn)生的俯仰角的具體參數(shù)，通常會受到周期變化的影響，而且俯仰角在進(jìn)行周期變化的時(shí)候，所需要的時(shí)間比較長，并且飛機(jī)上的干擾作用及其操作機(jī)構(gòu)等干擾因素，都會使飛機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候受到干擾[3]。因此，本文在對俯仰角的實(shí)際速度進(jìn)行控制的時(shí)候，會將其作為俯仰角進(jìn)行控制系統(tǒng)中的內(nèi)回路，其在內(nèi)回路當(dāng)中主要是以俯仰角對俯仰角速率進(jìn)行控制，而對外回路進(jìn)行控制，主要是依賴于縱向角運(yùn)動中的俯仰角。通過對俯仰角進(jìn)行控制的相關(guān)系統(tǒng)，也就是俯仰角控制框圖如圖2所示。

圖2 俯仰角控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)對無人機(jī)進(jìn)行建模時(shí)，舵機(jī)的功能，主要是對其相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行簡化，機(jī)帶的寬度通常為10rad/s，其進(jìn)行傳遞的函數(shù)為：

無人機(jī)在進(jìn)行縱向線運(yùn)動的時(shí)候，主要是對飛機(jī)飛行的具體高度進(jìn)行控制，同時(shí)，無人機(jī)的實(shí)際飛行高度在進(jìn)行變化的時(shí)候，主要影響的因素就是飛機(jī)的姿態(tài)，其主要是由于受到縱向通道的實(shí)際俯仰程度不同，而產(chǎn)生不同。

（三）無人機(jī)橫側(cè)向控制策略

在無人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動過程中，主要包含了滾轉(zhuǎn)通道的控制和對偏航通道的控制。想要使無人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動能夠符合控制的要求，就需要對滾轉(zhuǎn)通道和對偏航通道這兩個(gè)通道進(jìn)行綜合考慮，并進(jìn)行分別研究。

對于橫側(cè)向運(yùn)動控制中，最重要的就是對無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。同時(shí)，其也可以通過對縱向俯仰角的利用，進(jìn)行研究：首先，可以將滾轉(zhuǎn)角的角速度在滾轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)中作為內(nèi)回路；然后，將系統(tǒng)的傳感器中所獲取的滾轉(zhuǎn)角作為被控對象，通過獲取的滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)與預(yù)定的滾轉(zhuǎn)角的偏差，對舵機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制，然后根據(jù)系統(tǒng)的信息反饋，使得無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角能夠不斷的趨向于預(yù)定的滾轉(zhuǎn)角，以此來完成對于滾轉(zhuǎn)角的控制。圖3主要是無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角控制的過程展現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 滾轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

四、無人機(jī)自動起飛

（一）無人機(jī)自動起飛過程

無人機(jī)自動起飛的實(shí)際操作過程如圖4所示，主要分為以下幾階段：

圖4 無人機(jī)自動起飛的過程

（1）三輪滑跑階段

三輪滑跑階段，主要是指無人機(jī)在進(jìn)行飛行的時(shí)候，其發(fā)動機(jī)所處于的工作狀態(tài)是定額狀態(tài)，這時(shí)無人機(jī)在進(jìn)行滑跑的時(shí)候，就會逐漸加速。在無人機(jī)滑跑速度不斷的增加的時(shí)候，無人機(jī)的相關(guān)氣動力以及力矩也同樣會增加。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行滑跑的速度和無人機(jī)前輪抬起的速度一致的時(shí)候，無人機(jī)的俯仰力矩就會形成額定值，接著無人機(jī)的前輪就會抬起，并進(jìn)入到兩輪滑跑。

（2）兩輪滑跑階段

當(dāng)無人機(jī)處于兩輪滑跑的階段，這時(shí)的無人機(jī)，其油門就會處于定值狀態(tài)，然后無人機(jī)開始進(jìn)行加速，當(dāng)無人機(jī)的氣動升力比當(dāng)時(shí)的重力大的時(shí)候，無人機(jī)的實(shí)際速度就會上升，并能夠進(jìn)行離地飛行，并進(jìn)入向上爬升的階段。

（3）爬升階段

當(dāng)無人機(jī)處于爬升的時(shí)候，就會持續(xù)加速飛行，為了使無人機(jī)的安全飛行得到保障，就需要將無人機(jī)飛行的速度不斷進(jìn)行提高。隨著無人機(jī)飛行的高度不斷的增加，就會失去地面效應(yīng)，這時(shí)無人機(jī)就會進(jìn)入到空中。當(dāng)無人機(jī)飛行到一定高度，且達(dá)到安全高度的時(shí)候，無人機(jī)的起飛過程完成。

（二）無人機(jī)自動起飛控制策略

無人機(jī)在進(jìn)行自動起飛時(shí)，對其縱向進(jìn)行控制的時(shí)候，主要依賴于升降舵和油門。而無人機(jī)在起飛的時(shí)候，無人機(jī)本身在速度上具有較大的變化，因此，對其實(shí)際速度在進(jìn)行變化的時(shí)候，是不需要進(jìn)行精確控制的，所以無人機(jī)的油門一般是不用進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

升降舵主要是對俯仰角進(jìn)行控制，以此使無人機(jī)在進(jìn)行飛行時(shí)的姿態(tài)能夠得以合理控制，并按照設(shè)定的程序無人機(jī)飛到預(yù)定的高度。無人機(jī)在飛離地面之后，在地面中所產(chǎn)生的低頭力矩就會立即消失，與此同時(shí)，其抬頭力矩會立即增大，當(dāng)無人機(jī)徹底離開地面效應(yīng)區(qū)的時(shí)候，沒有地面效應(yīng)，無人機(jī)就可以順利飛行。如果無人機(jī)在飛行時(shí)，其俯仰角的增速太快的話，就會使其上升的速度受到影響，對于無人機(jī)的平穩(wěn)飛行也產(chǎn)生了不利影響，因此需要對向上爬升飛行的速度通過積分進(jìn)行確定，從而保證無人機(jī)能夠以合適的速度飛行到安全的高度。無人機(jī)在進(jìn)行自動起飛的時(shí)候，通常是由副翼以及方向舵所組成，并對飛機(jī)橫側(cè)向飛行進(jìn)行控制。

五、結(jié)束語

本文主要介紹了自動駕駛儀原理以及飛行控制原理，主要是根據(jù)相關(guān)條件分為兩部分，縱向運(yùn)動以及橫向運(yùn)動，對其進(jìn)行相應(yīng)分析，同時(shí)對無人機(jī)在進(jìn)行自主飛行以及降落時(shí)的相關(guān)控制策略進(jìn)行了介紹?？傊?，隨著我國科技的進(jìn)一步發(fā)展，無人機(jī)的發(fā)展前景也逐漸廣泛，特別是對無人機(jī)所具有的航程、續(xù)航能力、飛行速度等進(jìn)行廣泛的發(fā)展。同時(shí)，在未來的各類應(yīng)用場景上，無人機(jī)的優(yōu)勢必將得到更加全面的發(fā)揮。

[1]劉歌群.無人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)及檢測與控制技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2004.

[2]鄭偉光.四旋翼無人機(jī)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)研究[D].長春理工大學(xué),2010.

[3]楊利紅.固定翼無人機(jī)飛行姿態(tài)控制律設(shè)計(jì)[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.