CN105955282A - 基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法，将无人机地面滑跑纠偏控制分解为稳定控制和回零控制,其中所述稳定控制保证机体稳定不侧翻，而所述回零控制保证机体的测向偏差收敛不振荡；二者通过一个控制分配器，输出前轮控制量，双侧主机轮差动控制量，将所述双侧主机轮差动控制量和所述前轮控制量经过指令滤波器进行限幅值、限速率，得到前轮指令操纵角以及双侧主机轮差动滑移率，将前轮指令操纵角输出给前轮操纵器，双侧主机轮差动滑移率经过双轮分配器分别输出左右主机轮的滑移率，进而完成无人机地面滑跑过程中的纠偏控制，以提高无人机在多干扰状况下仍然能快速而又稳定地修正到跑道中心线附近，进而解决背景技术中提到的技术问题。

Description

基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，并尤其涉及一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法。

背景技术

无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle)，缩写为UAV，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。

随着科技的发展,无人机在军事和民用方面都得到广泛的应用。而无人机的发射和回收阶段是无人机在整个飞行过程中的关键阶段，对发射、回收阶段有效安全的控制是无人机控制的关键内容之一。目前无人机的发射方式主要包括轨道发射、零长发射及轮式发射；回收方式主要包括轮式滑停回收、拦阻网回收、空中打捞回收和伞降回收。

在众多无人机中，大型长航时无人机一般具有较大重量，且本身价格昂贵，在回收阶段需要对机体提供高度的保护。对于这类无人机，在滑跑过程中，可能会出现路况突变、侧风、初始偏航角，初始侧向偏移，左右机轮刹车装置特性差异等状况。上述所有这些因素将导致无人机在滑跑中出现相对于跑道中心线的侧向偏差，对于上述无人机宜采用轮式起降方式，需要对无人机进行地面滑跑控制，其目标是让无人机在最短的距离停下来，同时控制无人机不会滑出跑道；而轮式起降中的滑跑纠偏控制是地面操纵控制中重要的环节之一，并且地面滑跑纠偏控制策略的合理性是保证无人机地面滑跑安全的关键。若不及时对侧向偏差进行纠正，无人机可能滑出跑道，甚至发生侧翻，造成严重事故。

从已公开的无人机滑跑纠偏控制算法来看，目前主要采用被动式轮间交叉保护控制策略，这种方法会增大刹车距离，而且侧向稳定过程会出现震荡不收敛的情况，甚至发散，在无人机的滑跑纠偏控制中应避免这种情况出现。

发明内容

本申请的目的在于提出一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法，以提高无人机在多干扰状况下仍然能快速而又稳定地修正到跑道中心线附近，进而解决背景技术中提到的技术问题。

本申请提供了一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法，将机体偏航速率和侧向偏差以及机体速度输入到状态反馈控制器中，所述状态反馈控制器分别输出机体的稳定控制量和回零控制量，即将无人机地面滑跑纠偏控制率分解为稳定控制和回零控制,其中所述稳定控制保证机体稳定不侧翻，而所述回零控制保证机体的测向偏差收敛不振荡；二者通过一个控制分配器，输出前轮控制量，双侧主机轮差动控制量，将所述双侧主机轮差动控制量和所述前轮控制量经过指令滤波器进行限幅值、限速率，得到前轮指令操纵角以及双侧主机轮差动滑移率，将前轮指令操纵角输出给前轮操纵器，双侧主机轮差动滑移率经过双轮分配器分别输出左右主机轮的滑移率，进而完成无人机地面滑跑过程中的纠偏控制。

本申请还提供了具体的基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法，并进行了模拟仿真。

附图说明

图1为结合系数与滑移率关系。

图2为状态反馈控制器。

图3为基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法总体框图。

图4为地面运动轨迹仿真图。

图5为机体及主机轮轮速仿真图。

图6为左右机轮刹车压力仿真图。

图7为前轮操纵角仿真图。

图8为机体偏航角与侧滑角仿真图。

图9为机体偏航速率仿真图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。

在对无人机进行地面滑跑控制时，需对无人机进行刹车制动，而刹车制动主要依靠刹车时轮胎和地面产生的纵向摩擦力，在轮胎垂直载荷一定的情况下，影响纵向摩擦力大小的因素称为结合系数。结合系数受很多因素影响，比如：无人机速度、滑移率、轮胎的新旧程度、轮胎的花纹形式和跑道状况等，上述因素对于结合系数影响较小。而滑移率的影响最为重要，因此，结合系数与滑移率的关系可近似表示为μ＝Dsin(Carctan(Bλ))，其中B，C，D为系数，结合系数与滑移率的关系如图1所示。

下表中示出了三种典型跑道的参数：

跑道类型	B	C	D	最佳滑移率
					干跑道	14.0326	1.5344	0.8	0.117
湿跑道	8.2098	2.0192	0.4	0.12
					冰跑道	7.2018	2.0875	0.2	0.13

无人机在地面滑跑过程中，如果因为某些原因偏离了中心跑道，纠偏操纵一般有如下三个方式：一是通过方向舵偏转改变气动力大小和方向；二是通过左右主机轮的差动刹车完成转向；三是通过前轮完成操纵。无人机在刚着地时，速度较高，气动力对无人机运动的影响较大，此时可依赖于方向舵进行纠偏；在中低速时，方向舵的效率降低，此时轮胎和路面间的摩擦力占主导，一般采用前轮操纵和主轮差动进行纠偏。我们这里着重讨论前轮操纵和主轮差动操纵这两种方式进行纠偏。

无人机地面滑跑纠偏控制是一个多输入多输出的强非线性控制。输入量是机体的一些状态信息，例如机体速度，机体偏航率，机体侧向偏差等，而输出量是前轮操纵角，双侧主机轮的差动控制量。其中双侧主机轮的差动控制量具体表现就是双侧主机轮的差动滑移率，从而产生差动的结合系数。

无人机地面滑跑纠偏控制的目的有两个，一个是保证机体稳定，在整个控制过程中不能出现侧翻；另一个是保证侧向偏差收敛且不出现振荡。由此，我们提出了以下控制策略：将纠偏控制分解成两个控制，一个是机体稳定控制，另一个是侧向偏差控制。如果机体的偏航速率稳定收敛，那么机体就会处于稳定状态，不会出现侧翻。如果机体的侧向偏差稳定收敛，那么机体就会逐渐收敛跑道中心线附近。所以，机体稳定控制，简称稳定控制，其相关状态量为机体的偏航速率；而侧向偏差控制，简称回零控制，其相关状态量为机体的侧向偏差。

无人机地面滑跑纠偏控制的具体操作步骤如下:

1、将机体偏航速率r和侧向偏差e输入到状态反馈控制器中，控制器分别输出机体的稳定控制量u_steady和回零控制量u_reset。状态反馈控制器示意图如图2所示，其中V代表机体的速度，增益控制器表达式为：，其中k₁-k₄，a和b为系数。

$u_{steady}=k_1\stackrel{\·}{r}+k_{2}r---\left(1\right)$

$u_{reset}=k_{3}e+k_4\stackrel{\·}{e}+(a+bV)\stackrel{\·\·}{e}---\left(2\right)$

2、将机体的稳定控制量和回零控制量输入到控制分配器中，二者依据机体的偏航速率进行动态权重求和，综合后总的纠偏控制量。总的纠偏控制量再按照动态比例分配控制量给前轮控制和主轮差动控制，控制分配器的具体数学表达式如式(3)所示:

$\begin{array}{c}{u}_{correct}=f\left(r\right)u_{steady}+\[1-f\left(r\right)\]u_{reset}\\ u_{diff}=g\left(V\right)u_{correct}\\ u_{front}=\[1-g\left(V\right)\]u_{correct}\\ f\left(r\right)=\frac{k_{r}r}{\left|r\right|+c_r}+k_{r0}\\ g\left(V\right)=1-e^{-{\left(\frac{V}{c_v}\right)}^2}\end{array}---\left(3\right)$

式中，u_diff为双侧主机轮差动控制量，u_front为前轮控制量，u_steady为稳定控制量，u_reset为回零控制量，u_correct为纠偏控制量，k_r为偏航率权重增益系数，k_r0为偏航率权重中心值，c_r为偏航率权重陡坡系数，c_v为速度权重陡坡系数。

3、将双侧主轮的差动控制量和前轮控制量经过指令滤波器进行限幅值、限速率，将前轮控制量输出给前轮操纵器，双侧主轮差动控制量经过双轮分配器分别输出左右机轮的滑移率。双轮分配器的具体数学表达式如式(4)所示：

$\begin{array}{c}{u}_l=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_{diff}& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}>0\\ 0& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}<0\end{array}\right.\\ u_r=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_{diff}& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}<0\\ 0& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}>0\end{array}\right.\end{array}---\left(4\right)$

式中u_r为右轮滑移率，u_l为左轮滑移率，λ_diff为双侧主机轮差动滑移率。

与被动式轮间交叉保护控制算法相比，所设计的控制方法可以在保证机体稳定的情况下，使侧向偏差稳定收敛。我们可以通过优化控制分配器中的权重系数来优化控制指标，使无人机快速稳定收敛到跑道中心线附近。基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法的总体框图如图3所示。

图3中，λ_b代表最优滑移率，δ_m代表最大前轮操纵角，λ_R0代表右轮指令滑移率，λ_L0代表左轮指令滑移率，δ代表前轮指令操纵角，左右轮指令滑移率由下式获得：

λ_R0＝λ_b-u_r (5)

λ_L0＝λ_b-u_l (6)

案例1，无人机在初始侧向偏差10m，初始偏航角10°，干跑道情况下，λ_b＝0.1设定状态反馈器参数，k₁＝80，k₂＝30，k₃＝0.8，k₄＝1.8，增益控制器参数，a＝1.16，b＝-0.02，设定控制分配器参数，k_r＝0.3，k_r0＝0.6，c_r＝0.2，c_v＝18，基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法的仿真结果如图4-9所示：

在初始大偏航角，大侧向偏差的情况下，无人机稳定收敛到跑道中心线附近。整个滑跑过程中，机体的偏航角，侧滑角以及偏航速率均稳定收敛。由机体速度和左右主机轮变化过程可知，在整个调节过程中，系统始终处于防滑状态，且在调节后期，滑移率处于某一固定值，相比被动式轮间交叉保护控制算法，有效地减小了刹车距离。

本申请是基于现有技术提出分解控制。相比传统的被动式轮间交叉保护控制算法，基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法能够在初始大干扰的情况下使无人机稳定收敛到跑道中心线附近，且有效地减小了刹车距离。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于分解控制的无人机地面滑跑纠偏控制方法，包括如下步骤：

将机体偏航速率和侧向偏差以及机体速度输入到状态反馈控制器中，所述状态反馈控制器分别输出机体的稳定控制量和回零控制量，即将无人机地面滑跑纠偏控制分解为稳定控制和回零控制,其中所述稳定控制保证机体稳定不侧翻，而所述回零控制保证机体的测向偏差收敛不振荡；二者通过一个控制分配器，输出前轮控制量和双侧主机轮差动控制量，将所述双侧主机轮差动控制量和所述前轮控制量经过指令滤波器进行限幅值、限速率，得到前轮指令操纵角以及双侧主机轮差动滑移率，将前轮指令操纵角输出给前轮操纵器，双侧主机轮差动滑移率经过双轮分配器分别输出左右主机轮的滑移率，进而完成无人机地面滑跑过程中的纠偏控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中稳定控制量u_steady和回零控制量u_reset通过如下公式获得：

$u_{steady}=k_1\stackrel{\&CenterDot;}{r}+k_{2}r$

$u_{reset}=k_{3}e+k_4\stackrel{\&CenterDot;}{e}+(a+bV)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{e}$

式中，r为偏航速率，e为侧向偏差，V代表机体速度，k₁-k₄，a和b为系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：双侧主机轮差动控制量和前轮控制量分别通过如下公式获得：

u_correct＝f(r)u_steady+[1-f(r)]u_reset

u_diff＝g(V)u_correct

u_front＝[1-g(V)]u_correct

$f\left(r\right)=\frac{k_{r}r}{\left|r\right|+c_r}+k_{r0}$

$g\left(V\right)=1-e^{-{\left(\frac{V}{c_v}\right)}^2}$

式中，u_diff为双侧主机轮差动控制量，u_front为前轮控制量，u_correct为纠偏控制量，k_r为偏航率权重增益系数，k_r0为偏航率权重中心值，c_r为偏航率权重陡坡系数，c_v为速度权重陡坡系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：双轮分配器的具体数学表达式如下：

$u_l=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_{diff}& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}>0\\ 0& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}<0\end{array}\right.$

$u_r=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_{diff}& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}<0\\ 0& {\mathrm{\&lambda;}}_{diff}>0\end{array}\right.$

式中，u_r为右轮滑移率，u_l为左轮滑移率，λ_diff为双侧主机轮差动滑移率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

λ_R0＝λ_b-u_r

λ_L0＝λ_b-u_l

式中，λ_b代表最优滑移率，λ_R0代表右轮指令滑移率，λ_L0代表左轮指令滑移率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：设定控制分配器参数，初始侧向偏差10m，初始偏航角10°，干跑道情况下，λ_b＝0.1；设定状态反馈器参数，k₁＝80，k₂＝30，k₃＝0.8，k₄＝1.8；增益控制器参数，a＝1.16，b＝-0.02；设定控制分配器参数，k_r＝0.3，k_r0＝0.6，c_r＝0.2，c_v＝18。