CN101788822B - 一种无人机侧向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机侧向控制方法，属于无人机飞行控制领域。本发明根据无人机的侧偏距S_g、侧偏移速度

以及待飞距离D_togo信息，计算得到侧向姿态控制回路的输入侧向姿态控制量γ_g，进而引导无人机沿期望航线飞行。本发明充分考虑飞机性能以及实际飞行情况，动态确定侧偏移速度限幅值，使得实际飞行轨迹修正过渡过程具有良好的品质；飞机进行航段切换过程中，飞机飞行速度矢量沿较短路径向期望航线方向转动，避免飞行轨迹中不必要的交叉，缩短航线飞行路径，提高了飞行性能。

Description

一种无人机侧向控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人机侧向控制方法，属于无人机飞行控制领域。 

背景技术

无人机侧向控制的基本任务是使得无人机在其横侧向角运动稳定的基础上沿期望的轨迹飞行。目前的区域导航方法，能够允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖范围内或在自主导航设备能力有限范围内或两者配合下按任何希望的飞行路径飞行。其中的台基导航设备，包括传统的以地面电台为基础的陆基导航设备和以卫星导航系统为基础的星基导航设备。在航线结构上，区域导航的航线就是由航路点系列组成的连线，这些航路点是脱离电台台址而自行设定的任何地理位置；在定位方法上，区域导航定的是飞机在地球上的绝对位置；在导航算法上，区域导航按飞机计划转换到航线坐标，计算出向前方航路点飞行的待飞距离和航迹的侧向偏移，所有的计算在大圆航线上进行。 

目前无人机侧向控制系统的工作原理如图1所示。机载计算机根据期望航线以及飞机的位置、高度及地速信息，通过领航方法解算，得到待飞距离D_togo、侧偏距S_g以及侧偏移速度 

等参数，然后根据侧向控制算法得到舵面指令，舵回路根据舵偏指令进行相应的舵面偏转来实现引导飞机沿着期望航线飞行。 

飞机的侧偏距和侧偏移速度的定义如图2所示。图中OX_gY_gZ_g为地理坐标系，其原点O位于飞机质心，OX_g轴指向当地正北，OY_g轴指向当地正东，OZ_g轴指向地球中心。航迹角ψ以地速V_d在地面投影指向东为正。航迹预选角ψ_y表示期望航线的方向与OX_g之间的夹角，偏东为正。Δψ表示航迹角ψ与航迹预选角ψ_y之间的夹角。侧偏距S_g表示飞机相对于期望航迹的侧向偏离，定义飞机在期望航线的右侧为正。侧偏移速度 

定义使S_g正向增加时为正。 

参考文献《飞行控制系统》第225页(张明廉，航空工业出版社，1994)中介绍了飞机侧向轨迹控制系统的原理，指出通过副翼控制滚转转弯以修正侧向偏离，方向舵起阻尼与辅 助协调作用的方案应用最为广泛。通常的无人机侧向控制结构如附图3所示。其中，侧向姿态控制回路是无人机侧向控制的内回路，该回路主要完成了对于无人机侧向角运动的稳定与控制，通过引入滚转角、航向角以及相应的角速率的反馈来进行。侧向姿态控制回路的输入侧向姿态控制量γ_g由侧偏距S_g和侧偏移速度 信号反馈综合后得到。由图可知，在控制结构中，根据飞机允许的最大滚转角γ_gmax，在γ_g输出之前进行了限幅[-γ_gmax，γ_gmax]，以保证无人机飞行过程中滚转角不超限。另外，对信号 

的限幅 

这是由于如附图4中轨迹1所示，假设飞机由E点飞至F点时，其地速方向垂直于期望航线方向，此时侧偏移速度 

出现最大值 

与地速相等，若此时侧偏距S_g仍然较大，飞机将继续以最大的滚转角转弯，则无法引导飞机值期望航线。解决该问题的思路是此时应使得飞机转入平飞状态来消除侧偏距，即对信号 

的限幅 其中 

通常选择小于飞机可能出现的最小地速的某固定值，即 ξ∈(0，1)。 

综上所述，通过对侧向控制结构中参数的设计能够实现无人机对于期望航线的跟踪。然而，同时我们可以看出通过对于 

的选取，虽然能够使得飞机在航段切换时最终跟踪至期望航线，但并不能保证其实际航线与期望航线之间偏差较小。如附图4中轨迹2所示，假设飞机由E点出发，若根据控制算法得到的舵偏指令使得飞机向右滚转，则飞机的运动轨迹将会出现交叉，即飞机经过盘旋一圈后切入期望轨迹。这将使得飞机飞行轨迹与期望轨迹之间出现较大偏差，并且对于航程、航时等飞行性能均有不利影响。 

发明内容

本发明的目的是提出一种无人机侧向控制方法，根据无人机的侧偏距S_g、侧偏移速度 

以及待飞距离D_togo信息，计算得到侧向姿态控制回路的输入侧向姿态控制量γ_g，进而引导无人机沿期望航线飞行。 

本发明的无人机侧向领航方法通过以下步骤实现： 

步骤一：设定侧偏移速度限幅值 

初值， 

其中ξ为限幅系数，取ξ∈(0，1)，V_dmin为飞机的最小地速，由飞机性能确定。 

步骤二：判断待飞距离D_togo，当D_togo小于提前转弯量时，记录航段切换瞬间的侧偏移速度 

令侧偏移速度限幅值 

其中ξ为限幅系数，取ξ∈(0，1)；否则， 

保 持为原值不变。 

步骤三：根据公式(1)由侧偏距S_g计算限幅后的侧偏距反馈控制量 其中K₁为侧偏距反馈控制系数，根据飞机数学模型以及相应的设计指标确定。 

步骤四：根据公式(2)由侧偏移速度 

和限幅后的侧偏距反馈控制量 

计算限幅后的侧向姿态控制量γ_g，其中K₂为侧偏移速度反馈控制系数，根据飞机数学模型以及相应的设计指标确定，γ_gmax为飞机允许的最大滚转角，由飞机性能确定。 

${\mathrm{\&gamma;}}_g=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }& K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\\ K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})& -{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }<K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})<{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\\ -{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }& K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})\&le;-{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于侧偏移速度限幅值 

因此经过限幅后的侧偏距反馈控制量 

因而 与 

符号相同，因此侧向姿态控制量γ_g的符号也与 

相同。在航段切换时，若侧偏移速度 

为正值即侧偏距增加，则侧向姿态控制量为正值使得飞机向左滚转，若侧偏移速度 

为负值即侧偏距减小，则侧向姿态控制量为负值使得飞机向右滚转。这样，飞机飞行速度矢量沿较短路径向期望航线方向转动，避免飞行轨迹中不必要的交叉。 

步骤五：将限幅后的侧向姿态控制量γ_g输出至侧向姿态控制回路，并重复步骤二至步骤五，实现无人机侧向控制。 

本发明的优点在于：(1)充分考虑飞机性能以及实际飞行情况，动态确定侧偏移速度限幅值，使得实际飞行轨迹修正过渡过程具有良好的品质；(2)飞机进行航段切换过程中，飞机飞行速度矢量沿较短路径向期望航线方向转动，避免飞行轨迹中不必要的交叉，缩短航线飞行路径，提高了飞行性能；(3)结构简单，易于实现。 

附图说明

图1是现有的无人机侧向控制系统的工作原理。 

图2是侧偏距和侧偏移速度的定义示意图。 

图3是通常的无人机侧向控制结构示意图。 

图4是两种无人机侧向运动轨迹示意图。 

图5是本发明无人机侧向控制结构示意图。 

图6是实例中应用本发明飞行轨迹与未应用本发明的飞行轨迹对比图。 

具体实施方式

下面将结合实例以及附图对本发明作进一步说明。 

考虑某无人机的最小地速V_dmin为100m/s，飞机允许的最大滚转角γ_gmax为30°，飞机飞行过程中航段切换时的提前转弯量为2000m。根据该飞机的横侧向数学模型，依据自动控制原理以及相应的设计要求，设计其侧向姿态控制回路，选取适当的侧偏距反馈控制系数K1和侧偏移速度反馈控制系数K2，使得飞机侧向运动的稳定性、快速性及稳态精度满足设计要求。下面通过以下步骤实现该无人机的侧向控制。 

步骤一：设定侧偏移速度限幅值 初值，选取ξ＝0.5。 

步骤二：判断待飞距离D_togo，当D_togo小于提前转弯量2000m时，记录航段切换瞬间的侧偏移速度 

令侧偏移速度限幅值 

否则， 

保持为原值不变。 

步骤三：当D_togo小于提前转弯量2000m时，根据公式(3)由侧偏距S_g计算限幅后的侧偏距反馈控制量 

步骤四：根据公式(4)由侧偏移速度 

和限幅后的侧偏距反馈控制量 

计算限幅后的侧向姿态控制量γ_g： 

${\mathrm{\&gamma;}}_g=\left\{\begin{array}{cc}30& K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})\&GreaterEqual;30\\ K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})& -30<K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})<30\\ -30& K_2({\stackrel{.}{S}}_g+{\stackrel{.}{S}}_{g1})\&le;-30\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤五：将限幅后的侧向姿态控制量γ_g输出至侧向姿态控制回路，并重复步骤二至步骤五，实现无人机侧向控制。 

图6给出了实例中应用本发明后的飞行轨迹与未应用本发明的飞行轨迹对比图，从图中可以看出，未应用本发明时，飞机的飞行轨迹出现了交叉，飞机经过盘旋一圈后切入期望轨迹，而应用本发明的侧向控制方法后，飞机飞行速度矢量沿较短路径向期望航线方向转动，飞机轨迹很好的跟踪了期望航线，轨迹修正过渡过程的品质得到了明显提高。 

Claims (1)

1.一种无人机侧向控制方法，其特征在于：

步骤一：设定侧偏移速度限幅值

初值；

其中ξ为限幅系数，取ξ∈(0，1)，V_dmin为飞机的最小地速，由飞机性能确定；

步骤二：判断待飞距离D_togo；

当D_togo小于提前转弯量时，记录航段切换瞬间的侧偏移速度

令侧偏移速度限幅值

其中ξ为限幅系数，取ξ∈(0，1)；否则，

保持为原值不变；

步骤三：确定限幅后的侧偏距反馈控制量

根据公式(1)由侧偏距S_g计算限幅后的侧偏距反馈控制量

其中K₁为侧偏距反馈控制系数，根据飞机数学模型以及相应的设计指标确定；

步骤四：确定限幅后的侧向姿态控制量γ_g；

根据公式(2)由侧偏移速度和限幅后的侧偏距反馈控制量

计算限幅后的侧向姿态控制量γ_g，其中K₂为侧偏移速度反馈控制系数，根据飞机数学模型以及相应的设计指标确定，γ_g max为飞机允许的最大滚转角，由飞机性能确定；

${\mathrm{\&gamma;}}_g=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }& K_2({\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_g+{\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_{g1})\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\\ K_2({\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_g+{\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_{g1})& -{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }<K_2({\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_g+{\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_{g1})\\ -{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }& K_2({\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_g+{\stackrel{\&CenterDot;}{S}}_{g1})\&le;-{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\end{array}<{\mathrm{\&gamma;}}_{g\max }\right.---\left(2\right)$

步骤五：将限幅后的侧向姿态控制量γ_g输出至侧向姿态控制回路，并重复步骤二至步骤五，实现无人机侧向控制。

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