CN108628335A - 一种飞翼无人机的航向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞翼无人机的航向控制方法，所述飞翼无人机的外侧包括三组升降机翼，升降副翼采用外上内下的差动偏转方式；所述的外上内下的差动偏转方式是指为避免差动控制升降机翼带来的升力损失，在舵面实际控制时，固定靠近翼尖的一对升降副翼只能上偏，最内侧的升降副翼只能下偏，中间的升降副翼用以补充调节无人机飞行所需额外的升力侧力，升降副翼差动偏转控制飞翼无人机航向，实现了和阻力方向舵类似的效果，简化了航向控制作动器和机构的设计。

Description

一种飞翼无人机的航向控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种飞翼无人机的航向控制方法。

背景技术

现有技术是使用阻力方向舵进行飞翼无人机的航向控制。使用阻力方向舵可以有效地进 行飞翼无人机航向控制，但是开裂式阻力方向舵存在翼尖安装空间狭小，阻力方向舵作动器 机构复杂，高速时存在震动等问题和难点。一种替代的解决方案是使用靠近翼尖的一对升降 副翼差动偏转实现和阻力方向舵类似的功能，但是使用升降副翼差动偏转控制飞机航向，并 非简单地进行差动偏转就可以解决问题，因为还存在上下偏转阻力特性非对称，非线性非单 调舵效等问题。

另有中国专利号为：201310515066.X，公告日为2013.10.28，公开了一种飞翼布局的横航 向控制系统及横航向控制方法。对于飞翼布局的飞机，由于去掉了立尾和平尾，飞行效率显 著提高、同时具有低的可探测性能，但其横航向的控制能力较差，现有采用差动襟副翼、全 动翼梢、机翼内外侧扰流板等飞翼布局的横向控制方法控制效率低下、操纵复杂，因而机动 性较差，制约了飞翼布局飞机的发展和使用。上述发明的组成包括:飞翼布局飞机(1)可活动的 机头舵面(2)所述的可活动机头舵面是扁平形机头，所述的可活动机头舵面与所述的飞翼布局 飞机的机体通过内部驱动机构连接。上述发明用于飞翼布局飞机的横航向控制，可活动机头 舵面仍与使用阻力方向舵类似，无人机制造与使用中仍需考虑额外的作动器安装与设计，在 使用过程依旧需要突破工艺与控制的难关。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种飞翼无人机的航向控制方法，其目的 是使用升降副翼差动偏转控制飞翼无人机航向，实现了和阻力方向舵类似的效果，简化了航 向控制作动器和机构的设计。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种飞翼无人机的航向控制方法，所述飞翼无人机的外侧包括三组升降副翼，其特征在 于：升降副翼采用外上内下的差动偏转方式；所述的外上内下的差动偏转方式是指为避免差 动控制升降机翼带来的升力损失，在舵面实际控制时，固定靠近翼尖的一对升降副翼上偏， 最内侧的升降副翼下偏，三组舵面根据舵面二次规划出舵。

所述的外上内下的差动偏转方式采用控制分配方法控制升降副翼的差动偏转，所述的控 制分配方法为采用虚拟舵面计算与实际舵面计算相融合的舵面分配方法，以虚拟舵作为计算 输入通过舵效矩阵转换，求解舵面二次规划问题得到实际输出舵面。

所述的舵面控制分配，是在考虑到作动器位置限制和速率限制的前提下，二次规划求解 真实舵到虚拟舵的映射。

所述的二次规划求解的方法是指在一个控制周期内，为实现期望操纵，将解算问题分为 二个阶段。一阶段，当存在多种可能控制输出时，确定代价最小的控制输出为最终输出。二 阶段，当不存在控制输出实现期望操纵时，找到一个控制输出尽可能满足期望操纵。

其实施步骤如下：

1)舵面解算并非传统意义的将控制输入信号经控制律解算后直接输出控制舵面，而是分 为：虚拟舵面解算和实际舵面解算两个过程；

2)虚拟舵面解算：根据现有的飞机状态对无人机所需出舵量进行计算，其内容包括飞行 任务所需的升降舵、方向舵以及副翼的量值；

3)实际舵面解算：以虚拟解算所需的舵面信息为基础，对三组升降副翼进行舵面的二次 分配。此时根据本技术所述的舵面分配要求，翼尖副翼只能向上偏转提供，内副翼只能向下 偏，二次规划出各舵面的出舵量，控制无人机完成飞行任务。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出了以升降副翼差动控制无人机横航向运动替代作动器控制航向运动，简化 无人机作动机构的设计与安装，避免工艺与控制使用上的风险，节约制造成本。

2、本发明提出了针对飞翼无人机在无阻力方向舵等控制机构下的舵面使用方法，采取独 特的升降副翼外上内下的控制方法，最大限度平衡偏航过程中，升降副翼偏转对升力造成的 损失，完成对无人机航向的控制。

3、本发明提出了以虚拟舵面计算与实际舵面计算相融合的舵面控制方法。通过无人机本 体对舵面使用的需求量为基准，实时解算三组舵面所需出多量。既达成了对无人机飞行的控 制，在解算过程又有效的按照既定舵面使用策略出舵。

附图说明

图1是升降副翼差动偏转的虚拟方向舵指令和实际舵偏所实现的控制量的对比图，可以 看到实际舵偏很好地实现了虚拟舵指令。

具体实施方式

实施例1

一种飞翼无人机的航向控制方法，飞翼无人机的外侧包括三组升降副翼，升降副翼采用 外上内下的差动偏转方式；所述的外上内下的差动偏转方式是指为避免差动控制升降机翼带 来的升力损失，在舵面实际控制时，固定靠近翼尖的一对升降副翼上偏，最内侧的升降副翼 下偏，三组舵面根据舵面二次规划出舵。

外上内下的差动偏转方式采用控制分配方法控制升降副翼的差动偏转，控制分配方法为 采用虚拟舵面计算与实际舵面计算相融合的舵面分配方法，以虚拟舵作为计算输入通过舵效 矩阵转换，求解舵面二次规划问题得到实际输出舵面。

舵面控制分配，是在考虑到作动器位置限制和速率限制的前提下，二次规划求解真实舵 到虚拟舵的映射。

二次规划求解的方法是指在一个控制周期内，为实现期望操纵，将解算问题分为二个阶 段；一阶段，当存在多种可能控制输出时，确定代价最小的控制输出为最终输出；二阶段， 当不存在控制输出实现期望操纵时，找到一个控制输出尽可能满足期望操纵。

其实施步骤如下：

1)舵面解算并非传统意义的将控制输入信号经控制律解算后直接输出控制舵面，而是分 为：虚拟舵面解算和实际舵面解算两个过程；

2)虚拟舵面解算：根据现有的飞机状态对无人机所需出舵量进行计算，其内容包括飞行 任务所需的升降舵、方向舵以及副翼的量值；

3)实际舵面解算：以虚拟解算所需的舵面信息为基础，对三组升降副翼进行舵面的二次 分配。此时根据本技术所述的舵面分配要求，翼尖副翼只能向上偏转提供，内副翼只能向下 偏，二次规划出各舵面的出舵量，控制无人机完成飞行任务。

本发明所设计的升降副翼差动航向控制方法在伴飞无人机上得到应用，并取得良好的飞 行效果。

虚拟舵面到实际舵面计算：

飞翼无人机基础的控制分配问题可表示为Bu＝v，其中B为控制效率矩阵，u 为真实舵面偏转量，v为虚拟舵，真实出舵量的位置限幅为：速率限幅为 u(t)＝max{u_min,u(t-T)-Tρ_min}，T为采样时间。两者交集为凸集，对该问题进行数字化求解即可实现对舵面的控制分配。

二次规划算法：

在此给出本技术对舵面控制分配问题上的一种二次规划算法和流程。该算法分为两个阶 段：

阶段1：求解问题

其中A＝W_uB，b＝W_uv。

1)选择初始点此时对应的有效约束集W₀＝φ。

2)设p∈R^m是迭代步长，u＝u_k+p，则(1)式可转化为对以下子问题的求解。其中C_eq为C＝[I-I]中所有i∈W_k的列所组成的矩阵，对于C中 的第j行只可能有一个边界条件(u ^j或者)成立，也即只可能有一个有效约束，则C_eq中 每行只有一个元素不为零，为1或者‐1，则则(2)式等价于其中d＝b-Au_k。称对应i∈W_k的舵为不变舵，称其余的舵为自由舵。则(3)式易转化 为一个无约束二次规划问题：其中p_free是p中项所组成的向量，A_free是A中所有的列所组成的矩阵。当i∈W_k时p_i＝0，当时p_i为p_free对应项。

3)计算阶段1的拉格朗日乘子

令u_k+1＝u_k+p，其对应的拉格朗日乘子为λ，C_eqλ＝A^T(Au_k+1-b)，由可得

该阶段利用了等式约束的特殊性来简化问题的求解。

阶段2：求解问题

其中A＝W_u，b＝W_uu_d。

1)以阶段1所得可行解为初始解，以其对应有效约束集为初始工作集。

2)按照有效约束集方法，对(4)式的求解可转化为对以下子问题的求解：

其中d＝b-Au_k。上式可写为：其中E＝[B^T C_eq]，其中E为列满 秩矩阵矩阵，利用QR分解E可分解为：

Q为一个非奇异方阵，引入向量q，p可记为：则 非奇异，所以q₁＝0，则p＝Q₂q₂，则(5)式可转化 为一个无约束二次规划问题：min||AQ₂q₂-d||。

如果A，即W_u为单位阵，则以上问题的最优解为式(5)最优解为：

如果A不是单位阵，按基础算法求解。

该技术数字实现方案，控制分配Simulink模块的实现。有效集二次规划算法通过一个 Emdeded Matlab函数实现，它直接利用了matlab的QR分解函数，经过编译后可以高效实时 运行控制分配算法。其输入v为虚拟舵[de da dr]，输入B为控制舵效矩阵，uprev为上一控制 周期实际舵偏，输出为u为当前控制周期实际舵偏。控制分配模块B的计算较为复杂，首先 离线计算好各个舵面的舵效导数，然后在线查表计算在当前状态下的舵效导数，最后组合成 舵效矩阵。

Claims (4)

1.一种飞翼无人机的航向控制方法，所述飞翼无人机的外侧包括三组升降副翼，其特征在于：升降副翼采用外上内下的差动偏转方式；所述的外上内下的差动偏转方式是指为避免差动控制升降机翼带来的升力损失，在舵面实际控制时，固定靠近翼尖的一对升降副翼上偏，最内侧的升降副翼下偏，三组舵面根据舵面二次规划出舵。

2.根据权利要求1所述的一种飞翼无人机的航向控制方法，其特征在于：所述的外上内下的差动偏转方式采用控制分配方法控制升降副翼的差动偏转，所述的控制分配方法为采用虚拟舵面计算与实际舵面计算相融合的舵面分配方法，以虚拟舵面计算出无人机升降舵、方向舵、副翼三中舵面所需总的出舵量大小。

3.根据权利要求2所述一种飞翼无人机的航向控制方法，其特征在于：在考虑到作动器位置限制和速率限制的前提下，二次规划求解真实舵到虚拟舵的映射。

4.根据权利要求3所述一种飞翼无人机的航向控制方法，其特征在于：所述的二次规划求解的方法是指在一个控制周期内，将解算问题分为二个阶段，一阶段，当存在多种可能控制输出时，确定代价最小的控制输出为最终输出，二阶段，当不存在控制输出实现期望操纵时，找到一个控制输出尽可能满足期望操纵。