专利名称：一种无人机滚转改平控制方法
技术领域：
本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种无人机滚转改平的控制方法。
技术背景天气的突变，微下冲气流的侵袭，以及在复杂气象条件下的飞行、迫降等，都有可能使 无人机遭遇到侧风。在侧风中飞行，如果不对无人机航迹加以修正，飞机的航迹将偏离飞机 的对称面，使无人机向侧风方向移动。侧风越大,产生的侧移就越大。进场着陆遇到侧风时， 若不及时有效地修正侧风带来的影响，无人机就很难对正跑道接地。为对抗侧风影响， 一般有两种控制策略:一种为航向修正法，如图l(a)所示，使机头偏向 侧风方向，即图la中的空速R的方向，选择一个偏流角A^飞行，空速与体轴一致，使空速《 与风速^合成的地速6与跑道方向一致，在接地瞬间利用方向舵使机头摆回跑道方向。另一 种为侧滑修正法，如图l(b)所示，机头方向沿跑道，空速^向量与体轴的侧滑角p等于偏流 角，使空速&与风速^合成的地速6与跑道方向一致。侧滑修正法是利用方向舵保持机头航 向和跑道轴线方向一致，并利用副翼平衡由于侧滑角产生的滚转力矩。图2给出了采用侧滑修正法进行自动着陆时作用在飞机上的力和力矩有如下平衡关系，如 式(1) (6)所示<formula>formula see original document page 3</formula> 其中，G为飞机重量，y为升力，I为阻力，Z为侧力，f为发动机推力，"9为俯仰角， ^为滚转角，"为迎角，/ 为侧滑角，A^为航向静导数，M，为方向舵效率，Mf为滚转静 导数，M，为副翼效率，M，为纵向静导数，Mf'为升降舵效率，A为副翼控制量，^为方 向舵控制量，《为升降舵控制量。由式(1) (6)可知，稳定下降侧滑时，副翼、方向舵和升降舵需要分别控制使得无人机达到力和力矩的平衡。具体说明为控制副翼可使横侧操 纵力矩Mf'&与横侧安定力矩Mf/ 平衡，以保持滚转角/不变，控制方向舵可使方向操纵力矩 M，&与方向安定力矩M-P平衡,以保持侧滑角"不变；控制升降舵可使俯仰操纵力矩M，《与零升力矩Mz。、俯仰安定力矩Mf"平衡,以保持迎角"不变。采用侧滑修正法进行自动着陆时需要注意的是，当飞机在侧风条件下飞行时将会出现带 滚转角的下滑，这样将会导致飞机进入低空后将会有机翼触地的危险，因此在飞机接地前瞬 间，必须进行滚转改平的动作。通常控制飞机滚转改平的直接手段是副翼，即利用副翼来控 制飞机的滚转角为o。通常的控制律如式(7)所示<formula>formula see original document page 4</formula>(7)其中，^为副翼控制量，《y为滚转角控制系数，i^为滚转角速率控制系数，化为滚转 角速率。当飞机出现滚转角时，操纵副翼偏转相应的角度使得飞机反向滚转来消除滚转角， 引入滚转角速率的反馈主要起到阻尼作用。由式(7)中的控制律可知，当控制稳定时，即滚 转角和滚转角速率均为o时，副翼控制量也为o。但是由上述采用侧滑修正法进行自动着陆时 力和力矩的平衡关系可知，滚转改平前副翼控制量使得横侧操纵力矩M;f'&与横侧安定力矩 Mf-平衡，滚转改平后若副翼控制量为o,由侧滑角〃带来横侧安定力矩Mi^又将会使得飞 机产生滚转，最终稳定后的滚转角必定不为o，对飞机安全着陆产生不利影响。 发明 内 容本发明的目的是提出一种基于侧滑修正法的无人机滚转改平控制方法，通过引入无人机 接入滚转改平控制时刻的副翼控制量来对原有的侧滑修正方法进行改进，本发明提供的方法 尤其适用于在侧风较大时对着陆滚转改平要求比较高的无人机的控制。 本发明的无人机侧风着陆滚转改平控制方法通过以下步骤实现 步骤一当飞机接入滚转改平控制时，记录该时刻的副翼控制量&。；步骤二飞机接入滚转改平控制后，依据下式来进行滚转改平控制&=〖,《5化0 (8) 其中，^为副翼控制量，/^为滚转角控制系数，Z为滚转角，/^,为滚转角速率控制系 数，A为滚转角速率。本发明提出的无人机侧风着陆滚转改平控制方法的优点在于(1) 应用本发明的控制方法可以使得飞机能够以较小的滚转角接地；(2) 本发明仅需记录滚转改平接入时刻的副翼控制量即可实现改平控制，控制过程简单可靠；(3) 在相同的侧风条件下，应用本发明的控制方法可以使无人机以接近0度的滚转角 着陆，大大提高了无人机的着陆安全性。附图
说 明图la是飞机在侧风条件下的航向修正法示意图； 图lb是飞机在侧风条件下的侧滑修正法示意图；图2a是釆用侧滑修正法进行自动着陆时作用在飞机上的力和力矩平衡关系后视示意图；图2b是采用侧滑修正法进行自动着陆时作用在飞机上的力和力矩平衡关系侧视示意图 图3a是实施例中采用不同滚转改平控制方法滚转角结果示意图； 图3b是实施例中釆用不同滚转改平控制方法副翼控制量结果示意图；具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的一种基于侧滑修正法的无人机滚转改平控制方法作 进一步说明。本发明的无人机滚转改平控制方法通过以下步骤实现步骤一当飞机接入滚转改平控制时，记录该时刻的副翼控制量《。；采用侧滑修正法进行自动着陆时，作用在飞机上的力和力矩有如下平衡关系中，由式(5) 可知Mf" + M^二0 (9) 即该时刻的副翼控制量&。能够满足横侧操纵力矩Mf《。与横侧安定力矩Mf/ 平衡关系。步骤二飞机接入滚转改平控制后，依据下式来进行滚转改平控制其中，^为副翼控制量，尺,为滚转角控制系数，y为滚转角，/^为滚转角速率控制系 数，A为滚转角速率。由于飞机接入滚转改平控制时飞机的高度较低，飞机从滚转改平到接地的时间很短，考 虑这段时间内风场变化不大，因此若保证飞机机头对准跑道，则飞机的侧滑角基本不变。由 此可以推出，与其相平衡的副翼控制量也基本不变，即为飞机接入滚转改平控制时刻的副翼 控制量&。。此时，若将&。保持至滚转改平阶段，则意味着在飞机接入滚转改平控制后，一 部分副翼操纵量继续担任与侧滑角产生的横侧安定力矩相平衡的作用，另一部分用来控制飞 机的滚转角为0。当控制达到稳态时，滚转角和滚转角速率均为0，副翼控制量与接入时刻 的副翼控制量&。基本相等，飞机的滚转方向上的平衡并没有被打破，保证飞机能够以较小的 滚转角接地，确保了飞机着陆的安全性。 实 施 例本实例中，无人机下滑阶段采用侧滑修正法进行横侧向控制，仿真过程中加入了 3m/s 的常值正侧风。在接入滚转改平控制时分别直接利用背景技术中所提及的式(7)中控制方法 和利用本发明所提供的滚转改平控制方法进行对比说明。式(7)中控制方法为本实例中，^^=1.5， & =0.2。如图3a、 3b所示，仿真中从1892.6秒开始接入滚转改平控制，图3 (a)和图3 (b)中虚线均为利用式(7)的控制方法的仿真结果，分别给 出了飞机的滚转角以及相应的副翼控制量。由图3a可以看出，接入滚转改平控制之前，由 于侧风的影响，飞机以-3.5度左右的滚转角做侧滑修正飞行，相应的副翼控制量为2.5度左 右。接入滚转改平控制之后，在副翼的作用下滚转角最终稳定于1.5度，并没有将滚转角控 制至0度。下面按本发明提供的方法进行滚转改平控制。步骤一当飞机接入滚转改平控制时，记录该时刻的副翼控制量《。；&0 = 2.5步骤二飞机接入滚转改平控制后，依据式(10)来进行滚转改平控制(10)本实例中，《，=1.5， =0.2。图3 (a)和图3 (b)中实线均为本发明所提供的滚 转改平控制方法的仿真结果曲线，分别给出了飞机的滚转角以及相应的副翼控制量。由图3b 可以看出，利用本发明所提供的滚转改平控制方法，接入滚转改平控制之后，在副翼的作用 下滚转角接近O度左右，飞机能够以较小的滚转角接地，确保了飞机着陆的安全性。
权利要求
1、一种无人机滚转改平控制方法，其特征在于步骤一当飞机接入滚转改平控制时，记录该时刻的副翼控制量δx0；步骤二飞机接入滚转改平控制后，依据下式来进行滚转改平控制
全文摘要
本发明公开了一种基于侧滑修正法的无人机滚转改平控制方法，通过引入无人机接入滚转改平控制时刻的副翼控制量δ<sub>x0</sub>来对原有的侧滑修正方法进行改进，依据公式δ<sub>x</sub>=K<sub>r</sub>r+K<sub>w#-[x</sub>]ω<sub>x</sub>+δ<sub>xo</sub>来对无人机进行滚转改平控制。本发明提供的方法尤其适用于在侧风较大时对着陆滚转改平要求比较高的无人机的控制。应用本发明的控制方法仅需记录滚转改平接入时刻的副翼控制量即可实现改平控制，控制过程简单可靠；可以使得飞机能够以较小的滚转角接地；在相同的侧风条件下，应用本发明的控制方法可以使无人机以接近0度的滚转角着陆，大大提高了无人机的着陆安全性。
文档编号B64C13/18GK101264797SQ20081010232
公开日2008年9月17日 申请日期2008年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者张翠萍, 方晓星, 勇 王 申请人:北京航空航天大学