CN110007683A - 一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，包括以下步骤：a,航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1；b,侧向偏离控制，采用PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角；c,滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制。通过滚转角、以及侧向偏离控制转换为滚转角控制、使得小展弦比飞翼无人机在侧风着陆时，在接近地面时，机头快速对准跑道，有利于侧风着陆，仍然能够自动安全着陆。

Description

一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法
技术领域
本发明属于无人机飞行控制技术领域，具体涉及一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法。
背景技术
着陆抗侧风控制是无人机自主着陆技术的关键技术之一，常规布局无人机侧风着陆时一般采用无侧滑方式，即下滑阶段采用机头偏离跑道方向对准来流方向，在接近地面时，进行抗偏流控制，快速摆正机头使机头对准跑道。由于飞翼布局飞机，特别是小展弦比飞翼飞机，航向操纵能力弱，若仍然采用上述方式，在接近地面时，机头难以快速对准跑道，侧风着陆过程不理想。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，能够是无人机接近地面时可以快速滚转改平，使得主轮基本同时接地，自动安全着陆。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，特征在于：包括以下步骤：
a,航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1, 飞行控制中引入侧滑, 消除耦合信号带来的不利控制影响，在反馈过程中应用清洗网络对信号进行滤波处理,公式如下：
Dr=Kr*r+F1*Kβ*β+[Kψ*△ψ+Kψ’*∫△ψdt]
其中，Dr：方向舵出舵，r：偏航角速率，β：侧滑角，ψ：偏航角，F1:清洗网络，滤波架构为s/（Ts+1），K：控制参数，△ψ：偏航角与给定差值，d：偏移弧度，t：偏移时间。
b,侧向偏离控制，采用PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角，在侧向偏离控制过程中，控制回路分为空中控制和近道面控制两种模态，以高度传感器为判断条件进行模态转换。空中抗风增稳控制，在飞翼布局无人机中以侧偏及侧偏移速度为主要控制输入，以差动副翼为输出，进行控制抗风平稳飞行控制，公式如下；
φg=K*[KDy*Dy+Kydot*Dydot+KDy’*∫Dydt]
Da=Kφ*△φ+Kp*p
其中，Da：副翼出舵，Dy：侧偏移量，Dydot：侧偏移速度，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值，KDy风速：
c,滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制，继续引入侧偏将会引发翼尖触地，地效引起的横向不稳定等着陆风险。因此，此时无人机控制系统切除侧偏控制保持翼平状态准备着陆，公式如下：
Da=Kφ*△φ+Kp*p，φg=0°
其中，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
上述步骤a中所述侧滑角的角度为5°。
上述步骤b中所述滚转角的角度为2°。
上述步骤c中所述滚转角控制的指令为零。
本发明带来的有益效果有。
1、通过清洗网络以减小带侧滑飞行时稳态侧滑角的影响，航向控制有较高的反馈增益，目的是增加控制精度和响应快速性，在通过滚转角、以及侧向偏离控制转换为滚转角控制、使得小展弦比飞翼无人机在侧风着陆时，在接近地面时，机头快速对准跑道，有利于侧风着陆，仍然能够自动安全着陆。
2、通过侧滑角的角度为5°以及滚转角的角度为2°，对某飞翼无人机，5m/s侧风情况下，只需滚转2度即可对抗侧风，侧滑角约为5度，在接近地面时可以快速滚转改平，使得主轮基本同时接地，接地时只有很小的侧向偏离和侧向速度，由此主轮上的侧向过载也很小。
3、通过滚转角控制的指令为零由于侧风的存在系统将存在一个较大的超调，如果滚转角控制存在积分环节，虽然能保证稳态误差为零，但将有更大的初始超调，并且飞机马上就要着陆，也没有时间等待控制器将稳态无差调节为零，所以可行的办法是通过预置前向通道滚转指令为一非零值，使滚转角快速无超调恢复为零。
附图说明
图1是本发明的侧向偏离控制示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，特征在于：包括以下步骤：
a,航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1, 飞行控制中引入侧滑, 消除耦合信号带来的不利控制影响，在反馈过程中应用清洗网络对信号进行滤波处理,公式如下：
Dr=Kr*r+F1*Kβ*β+[Kψ*△ψ+Kψ’*∫△ψdt]
其中，Dr：方向舵出舵，r：偏航角速率，β：侧滑角，ψ：偏航角，F1:清洗网络，滤波架构为s/（Ts+1），K：控制参数，△ψ：偏航角与给定差值。
b,侧向偏离控制，采用PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角，在侧向偏离控制过程中，控制回路分为空中控制和近道面控制两种模态，以高度传感器为判断条件进行模态转换。空中抗风增稳控制，在飞翼布局无人机中以侧偏及侧偏移速度为主要控制输入，以差动副翼为输出，进行控制抗风平稳飞行控制，公式如下；
φg=K*[KDy*Dy+Kydot*Dydot+KDy’*∫Dydt]
Da=Kφ*△φ+Kp*p
其中，Da：副翼出舵，Dy：侧偏移量，Dydot：侧偏移速度，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
c,滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制，继续引入侧偏将会引发翼尖触地，地效引起的横向不稳定等着陆风险。因此，此时无人机控制系统切除侧偏控制保持翼平状态准备着陆，公式如下：
Da=Kφ*△φ+Kp*p，φg=0°
其中，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
上述步骤a中所述侧滑角的角度为5°。
上述步骤b中所述滚转角的角度为2°。
上述步骤c中所述滚转角控制的指令为零。
通过清洗网络以减小带侧滑飞行时稳态侧滑角的影响，航向控制有较高的反馈增益，目的是增加控制精度和响应快速性，在通过滚转角、以及侧向偏离控制转换为滚转角控制、使得小展弦比飞翼无人机在侧风着陆时，在接近地面时，机头快速对准跑道，有利于侧风着陆，仍然能够自动安全着陆。
通过侧滑角的角度为5°以及滚转角的角度为2°，对某飞翼无人机，5m/s侧风情况下，只需滚转2度即可对抗侧风，侧滑角约为5度，在接近地面时可以快速滚转改平，使得主轮基本同时接地，接地时只有很小的侧向偏离和侧向速度，由此主轮上的侧向过载也很小。
通过滚转角控制的指令为零由于侧风的存在系统将存在一个较大的超调，如果滚转角控制存在积分环节，虽然能保证稳态误差为零，但将有更大的初始超调，并且飞机马上就要着陆，也没有时间等待控制器将稳态无差调节为零，所以可行的办法是通过预置前向通道滚转指令为一非零值，使滚转角快速无超调恢复为零。
实施例2
一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，特征在于：包括以下步骤：
a,航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1；
运行过程：
控制机理简述：飞翼布局无人机在本体特性上横航向控制静不稳定，因其无垂尾导致受风干扰后无法顺风飞行，飞机发生反向动作，因此在飞行控制中引入侧滑，增强飞机鲁棒性。同时，由于飞机多舵面差动控制，导致控制信号中存在耦合，为消除耦合信号带来的不利控制影响，在反馈过程中应用清洗网络对信号进行滤波处理。
横航向控制架构：Dr：方向舵出舵，r：偏航角速率，β：侧滑角，ψ：偏航角，F1:清洗网络，滤波架构为s/（Ts+1），K：控制参数，△ψ：偏航角与给定差值。
Dr=Kr*r+F1*Kβ*β+[Kψ*△ψ+Kψ’*∫△ψdt]
运行方法：飞机航行中，因航线或风扰动引发的的侧滑角引入舵面控制回路，同时，根据飞机传感器、舵面耦合实际情况进行侧滑信号滤波修正，与偏航角速率、偏航角闭环对舵面进行控制，按周期迭代控制，积分器作为稳定储备，用以提升横航向稳定性。
b,侧向偏离控制，采用PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角；
运行过程：
控制机理简述：如图1所示在侧向偏离控制过程中，控制回路分为空中控制和近道面控制两种模态，以高度传感器为判断条件进行模态转换。空中抗风增稳控制，在飞翼布局无人机中以侧偏及侧偏移速度为主要控制输入，以差动副翼为输出，进行控制抗风平稳飞行控制。
侧向偏离控制架构：Da：副翼出舵，Dy：侧偏移量，Dydot：侧偏移速度，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
φg=K*[KDy*Dy+Kydot*Dydot+KDy’*∫Dydt]
Da=Kφ*△φ+Kp*p
运行过程：
空中阶段，飞行过程侧偏距及侧偏移速度引入控制环节，形成初始输入的滚转角给定，侧向偏离控制以侧偏引发的滚转给定作为输入，结合滚转角速率进行闭环控制，以消除或减小飞行航线偏离。
c,滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制。
运行过程：
控制机理简述：当飞机下降进度近道面阶段时，继续引入侧偏将会引发翼尖触地，地效引起的横向不稳定等着陆风险。因此，此时无人机控制系统切除侧偏控制保持翼平状态准备着陆。
滚转角控制架构：K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
Da=Kφ*△φ+Kp*p，φg=0°。
运行过程：
此时，滚转角给定为0°，飞机处于翼平状态，不进行侧向操作，1.5m转模态，飞机1~2s内自然着陆，减少和降低着陆过程中因风场、地效等因素引发的误操纵带来的危险。
上述步骤a中所述侧滑角的角度为5°。
上述步骤b中所述滚转角的角度为2°。
上述步骤c中所述滚转角控制的指令为零。
通过清洗网络以减小带侧滑飞行时稳态侧滑角的影响，航向控制有较高的反馈增益，目的是增加控制精度和响应快速性，在通过滚转角、以及侧向偏离控制转换为滚转角控制、使得小展弦比飞翼无人机在侧风着陆时，在接近地面时，机头快速对准跑道，有利于侧风着陆，仍然能够自动安全着陆。
通过侧滑角的角度为5°以及滚转角的角度为2°，对某飞翼无人机，5m/s侧风情况下，只需滚转2度即可对抗侧风，侧滑角约为5度，在接近地面时可以快速滚转改平，使得主轮基本同时接地，接地时只有很小的侧向偏离和侧向速度，由此主轮上的侧向过载也很小。
通过滚转角控制的指令为零由于侧风的存在系统将存在一个较大的超调，如果滚转角控制存在积分环节，虽然能保证稳态误差为零，但将有更大的初始超调，并且飞机马上就要着陆，也没有时间等待控制器将稳态无差调节为零，所以可行的办法是通过预置前向通道滚转指令为一非零值，使滚转角快速无超调恢复为零。
发明了小展弦比飞翼无人机滚转带侧滑的抗侧风着陆控制方法。飞翼无人机具有航向操纵能力弱、横向操纵能力强的操纵特性，因此为了在机轮触地前使机头对准跑道，就不能像常规布局飞机那样，通过航向操纵快速摆正机头，只能在接近地面前就预先使机头摆正，这样为了使飞机保持在跑道中心线上就需要滚转带侧滑飞行。带滚转带侧滑飞行通常会带来翼尖触地的风险，但是对于小展弦比飞翼无人机，由于带侧滑飞行的侧力和偏航力矩都很小，使得只需要很小的滚转角就能够对抗侧风，10m/s的侧风，滚转角只有2~3度，这样即使不在着陆时不纠正滚转也能够保证安全着陆，更何况飞翼还具有快速滚转控制的能力，以及小展弦比的特点，使得着陆时翼尖触地的风险很小。
设计了小展弦比飞翼无人机的滚转带侧滑飞行控制律。在带侧滑的侧向控制模式下，在偏航控制器作用下飞机机头对准跑道，并保持一定的滚转角以对抗侧风，此时为了抵消侧滑带来的滚转力矩和偏航力矩，并保持一定的滚转角，副翼和阻力方向舵都将有一定的出舵。在接地前断开侧向偏离控制，接通滚转角控制，使机翼恢复水平，以使两个主轮同时着地。这时机翼处于水平状态，侧滑角基本不变，为保持机翼水平，副翼仍将有一定的出舵，但出舵量会有所减小。当飞机不再保持一定的滚转角以抵抗侧风时，飞机将偏离航线，但由于对于飞翼侧风引起的侧力很小，并且从接通滚转角控制到飞机接地时间很短，实际的侧向偏离不是很大，只有约1m。
下滑拉平段的侧向控制控制器结构如附图1所示。控制器由三部分组成，第一部分为航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1，以减小带侧滑飞行时稳态侧滑角的影响，航向控制有较高的反馈增益，目的是增加控制精度和响应快速性；第二部分是侧向偏离控制，是一个普通的PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角；第三部分是滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制，其中滚转角控制指令不能为零，因为如果滚转角指令为零，由于侧风的存在系统将存在一个较大的超调，如果滚转角控制存在积分环节，虽然能保证稳态误差为零，但将有更大的初始超调，并且飞机马上就要着陆，也没有时间等待控制器将稳态无差调节为零，所以可行的办法是通过预置前向通道滚转指令为一非零值，使滚转角快速无超调恢复为零。滚转角预置指令控制实际上是一种开环控制的方法，预置指令的确定通过经验确定，这里我们取滚转角指令为S1开关转换前的滚转角控制指令的2/3。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，特征在于：包括以下步骤：
a,航向增稳与控制，航向增稳和一般航向增稳不同的是侧滑角到阻力方向舵的反馈带有一个清洗网络F1, 飞行控制中引入侧滑, 消除耦合信号带来的不利控制影响，在反馈过程中应用清洗网络对信号进行滤波处理,公式如下：
Dr=Kr*r+F1*Kβ*β+[Kψ*△ψ+Kψ’*∫△ψdt]
其中，Dr：方向舵出舵，r：偏航角速率，β：侧滑角，ψ：偏航角，F1:清洗网络，滤波架构为s/（Ts+1），K：控制参数，△ψ：偏航角与给定差值。
b,侧向偏离控制，采用PID控制器，侧风存在时，控制器通过其中的积分环节逐渐建立起一个滚转角，在侧向偏离控制过程中，控制回路分为空中控制和近道面控制两种模态，以高度传感器为判断条件进行模态转换。空中抗风增稳控制，在飞翼布局无人机中以侧偏及侧偏移速度为主要控制输入，以差动副翼为输出，进行控制抗风平稳飞行控制，公式如下；
φg=K*[KDy*Dy+Kydot*Dydot+KDy’*∫Dydt]
Da=Kφ*△φ+Kp*p
其中，Da：副翼出舵，Dy：侧偏移量，Dydot：侧偏移速度，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
c,滚转角控制，在1.5m高度，主轮接地前通过转换开关S1将横向控制由侧向偏离控制转换为滚转角控制，继续引入侧偏将会引发翼尖触地，地效引起的横向不稳定等着陆风险。因此，此时无人机控制系统切除侧偏控制保持翼平状态准备着陆，公式如下：
Da=Kφ*△φ+Kp*p，φg=0°
其中，K：控制参数，φg：滚转角给定，φ：滚转角，p：滚转角速率，△φ：滚转角与给定差值。
2.如权利要求1所述的一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，其特征在于：上述步骤a中所述侧滑角的角度为5°。
3.如权利要求1所述的一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，其特征在于：上述步骤b中所述滚转角的角度为2°。
4.如权利要求1所述的一种小展弦比飞翼无人机抗侧风着陆的控制方法，其特征在于：上述步骤c中所述滚转角控制的指令为零。
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