CN113741515A - 面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空飞行器控制领域，具体涉及一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法及系统。该方法包括：接收侧偏距和航向角，使用主轮刹车纠偏控制方法求解得到差动刹车给定量，并基于所述差动刹车给定量对左右刹车执行机构进行控制；接收前轮前馈补偿量、侧偏距和航向角，使用前轮纠偏控制方法求解得到前轮角度给定量，并基于所述前轮角度给定量对前轮转弯装置进行控制；在前轮转弯模式切入时，取前轮转弯模式切入时刻的前轮角度回报值作为前轮前馈补偿量。本发明解决了着陆滑跑段前轮转弯装置由前轮减摆模式转变为前轮转弯模式时由于前轮初值引起的扰动问题，可以减小飞机滑跑刹停后侧偏距。

Description

面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法及系统

技术领域

本发明属于航空飞行器控制领域，具体涉及一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法。

背景技术

前三点式无人机，是一种现代无人机最广泛使用的无人机形式；以机轮区别划分，可分为位于机身前部的前轮和位于机身两侧的两个主轮。其中，两个主轮对称安装在机身两侧，通常位于无人机重心后面，可分为左轮和右轮。前轮上安装有前轮转弯装置，可通过飞控计算机发送“前轮角度给定值”给前轮转弯装置，前轮转弯装置调整前轮角度进行前轮纠偏。而左轮和右轮上安装有刹车装置，当左轮和右轮存在不同的刹车量时，相对于飞机重心会造成额外的偏航力矩，使得飞控计算机根据飞机当前状况计算“左右差动刹车给定量”，并发送给左右刹车机构，从而实现主轮刹车纠偏。

前三点式无人机在着陆滑跑时，其在高速段为前轮减摆模式，使用主轮刹车纠偏控制器，该模式主要通过主轮左右差动刹车进行纠偏控制。在低速段为前轮转弯模式，使用前轮纠偏控制器，该模式下前轮角度回报跟随前轮角度给定进行无人机纠偏控制。在中速段两模式淡化过度。

一般地，由于设计偏差、制造偏差、飞行中结冰或撞击等原因，均会造成着陆时的无人机前轮角度处于非零位。现有技术中在前轮纠偏控制时，需要保证前轮处于零位，这时无人机前轮纠偏控制器能够正常工作，无人机纠偏效果较好。若前轮处于非零位状态，则无人机在着陆滑跑段前轮减摆模式下，前轮转弯装置回报的前轮角度回报值不为零，而飞控计算机发给前轮转弯装置的前轮角度给定值为零。在前轮减摆模式切换为前轮转弯模式时，由于切换瞬间前轮角度给定为零，前轮角度回报与前轮角度给定存在偏差，而前轮角度回报跟随前轮角度给定，使得前轮角度回报值由非零值向零值转变，破坏了当前无人机的横侧向力与力矩平衡，造成无人机航向变化和侧偏距增大现象，给正常的前轮纠偏工作造成了困扰，最后造成在着陆滑跑刹停后侧偏距过大的现象。目前，针对飞机前轮一由于制造和设计偏差造成的前轮零位超差需要进行地面前轮零位人工调整，从而减少其在着陆滑跑刹停后的侧偏距大的现象；但这会大大增加时间成本、人力成本。如公布号为：CN 10595528A的中国专利文献，其公开了一种无人机地面滑跑纠偏控制方法，其通过该稳定控制和回零控制对无人机地面滑跑阶段进行控制；稳定控制主要控制侧偏距，回零控制主要控制航向角；但控制前轮处于非零位的飞机时，仍然存在着陆滑跑刹停后侧偏距过大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中所存在的因为飞机着陆时前轮处于非零位而导致着陆滑跑刹停后侧偏距过大，提供一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法；为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，包括：

接收侧偏距和航向角，使用主轮刹车纠偏控制方法，得到差动刹车给定量，并基于所述差动刹车给定量对左右刹车执行机构进行控制；

接收前轮前馈补偿量、侧偏距和航向角，使用前轮纠偏控制方法求解得到前轮角度给定量，并基于所述前轮角度给定量对前轮转弯装置进行控制；

在前轮转弯模式切入时，取前轮转弯模式切入时刻的前轮角度回报值作为前轮前馈补偿量。

进一步的是，对前轮转弯模式切入时刻前的前N拍轮角度回报值取平均值后作为前轮前馈补偿量；N可以为不含零的自然数。

进一步的是，N可以等于5。

进一步的是，所述主轮刹车纠偏控制方法，其公式为：

△Y＝Y-Y_g,△ψ＝ψ-ψ_g

其中，Y为侧偏距，△Y为侧偏距差，Y_g为侧偏距给定，ψ为航向角，△ψ为航向角差，ψ_g为航向角给定，r为偏航角速率，δ_b为差动刹车给定量，

为主轮刹车纠偏侧偏距比例控制参数，

为主轮刹车纠偏侧偏距积分控制参数，

为主轮刹车纠偏侧偏移控制参数，

为主轮刹车纠偏航向角控制参数，

为主轮刹车纠偏偏航角速率控制参数，

为主轮刹车纠偏控制器比例系数。

进一步的是，所述前轮纠偏控制方法，其公式为：：

△Y＝Y-Y_g,△ψ＝ψ-ψ_g

其中，

为前轮纠偏侧偏距比例控制参数，

为前轮纠偏侧偏距积分控制参数，

为前轮纠偏侧偏移控制参数，

为前轮纠偏航向角控制参数，

为前轮纠偏偏航角速率控制参数，

为前轮纠偏控制器比例系数，

为前轮前馈补偿量，δ_N为前轮角度给定量。

当δ_b≥0时，δ_L＝δ_BR，δ_R＝δ_BR-δ_b；

当δ_b＜0时，δ_L＝δ_BR+δ_b，δ_R＝δ_BR；

其中，δ_L为左刹车给定量，δ_R为右刹车给定量，δ_BR为刹车预制量。

进一步的是，所述主轮刹车纠偏控制器比例系数的取值为，

其中，V_G为无人机当前地速，V1、V2、V3、V4分别为第一、第二、第三、第四阈值速度。

进一步的是，所述前轮纠偏控制器比例系数的取值为：

同时本发明提供一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法。

同时本发明还提供一种无人机，包括上述面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过将前轮前馈补偿量输入前轮纠偏控制器，避免了无人机从前轮减摆模式切换到前轮转弯模式时由于前轮非零位造成的前轮角度回报与前轮角度给定不匹配现象，解决了着陆滑跑段前轮转弯装置由前轮减摆模式转变为前轮转弯模式时由于前轮初值引起的扰动问题，可以减小飞机滑跑刹停后侧偏距。

2.在实际使用过程中，由于前轮转弯模式切入时刻的前轮角度回报值可能存在跳变，因此对前轮转弯模式切入时刻前若干拍的前轮角度回报值取平均值后作为前轮前馈补偿量，可以有效的避免前轮角度回报值跳变对前轮纠偏控制器的影响，可以更好的提升稳定性。

3.本发明所提出的控制方法，其控制精度高，同时其纠偏效果好，故障率低，应用范围广。

附图说明：

图1为本发明示例性实施例提出的一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法的主轮刹车纠偏控制方法与前轮纠偏控制方法的控制权限图；

图2为本发明示例性实施例提出的主轮刹车纠偏控制方法示意图；

图3为本发明示例性实施例提出的前轮纠偏控制方法示意图；

图4为本发明示例性实施例提出的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统示意图。

图中标记：310-电子设备、311-处理器、312-存储器、313-输入输出接口、314-电源。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

图1示出了本发明的着陆滑跑段主轮刹车纠偏和前轮纠偏控制权限，无人机接地后，在地速值为V1时开始逐步使用主轮刹车纠偏控制方法，在地速值为V2时主轮刹车纠偏控制方法全权限控制，期间进行平滑过渡，在地速值为V3时，主轮刹车纠偏控制方法开始逐步退出，前轮纠偏控制方法开始逐步接入，在地速值为V4时，主轮刹车纠偏控制方法全部退出，前轮纠偏控制方法全部接入，在地速值为0时，前轮纠偏控制方法全部退出。

作为本发明的优选方案，第一速度阈值V1，可以取170km/h,用于表征主轮刹车纠偏控制方法开始工作的地速值；第二速度阈值V2可以取140km/h，用于表征主轮刹车纠偏控制方法开始全权限工作的地速值；第三速度阈值V3可以取100km/h，用于表征前轮纠偏控制方法逐渐开始工作且主轮刹车纠偏控制器逐渐开始退出的地速值，其所对应的时刻即为前轮转弯模式切入时刻；第四速度阈值V4可以取80km/h，用于表征前轮纠偏方法开始全权限工作的地速值。

在无人机开始着陆滑跑后，当地速为V1时，前轮减摆模式逐步开始；处理器开始接收侧偏距和航向角，使用主轮刹车纠偏控制方法求解得到差动刹车给定量，并基于所述差动刹车给定量对左右刹车执行机构进行控制。

在前轮转弯模式切入时，也就是V3所对应的时刻，取该时刻的前轮角度回报值作为前轮前馈补偿量。处理器接收前轮前馈补偿量、侧偏距和航向角，使用前轮纠偏控制方法求解得到前轮角度给定量，并基于所述前轮角度给定量对前轮转弯装置进行控制；需要说明的是，在实际的工程操作中，因为采集装置采集频率设置不当、着陆地面凹凸不平、以及前轮减摆模式下前轮处于随动状态均导致前轮角度回报值出现跳变，可以对前轮转弯模式切入时刻前N拍的前轮角度回报值取平均值后作为前轮前馈补偿量。其中前N拍即为，采集装置在前轮转弯模式切入时刻之前，采集到的N个前轮角度回报值，其具体数值的设定与采集装置的采样频率，控制器的处理频率等相关，在实际使用时可做适应性调整。在本实施例中N可以等于5，可以很好的与本实施例中的前轮纠偏控制方法，从而使控制更加精准，进一步的减小飞机滑跑刹停后侧偏距。

图2示出了一种主轮刹车纠偏控制方法，如图所示，主轮刹车纠偏控制方法的计算公式为：

△Y＝Y-Y_g,△ψ＝ψ-ψ_g

并通过下式将差动刹车给定量，分配至左右刹车机构，

δ_b≥0时，δ_L＝δ_BR，δ_R＝δ_BR-δ_b；

δ_b＜0时，δ_L＝δ_BR+δ_b，δ_R＝δ_BR。

其中，

为主轮刹车纠偏侧偏距比例控制参数；具体是使用时，其值可以为0.05，

为主轮刹车纠偏侧偏距积分控制参数；某些机型在使用主轮刹车纠偏控制器时，其滑动的轨迹是挺直的，可以不加积分去修正侧偏距差的静差，因此其值可以为0，

为主轮刹车纠偏侧偏移控制参数，其值可以0.04，

为主轮刹车纠偏航向角控制参数，其值可以0.06，

为主轮刹车纠偏偏航角速率控制参数，其值可以0.04，

为主轮刹车纠偏控制器比例系数，其取值如下：

式中V_G为无人机当前地速。

图3示出了一种前轮纠偏控制方法，如图所示，前轮纠偏控制方法其计算公式为：

△Y＝Y-Y_g,△ψ＝ψ-ψ_g

为前轮纠偏侧偏距比例控制参数，其值可以为0.3，

为前轮纠偏侧偏距积分控制参数，其值可以为0.08，

为前轮纠偏侧偏移控制参数，某些机型，其自身机械阻尼已经满足纠偏所用的侧偏距阻尼，因此其值可以为0；在本实例中，

值可以为0；

为前轮纠偏航向角控制参数，其值可以为1.5，

为前轮纠偏偏航角速率控制参数，其值可以为0.7，

为前轮纠偏控制器比例系数，其如下：

其中V_G为无人机当前地速。

实施例2

图4示出了出了根据本发明示例性实施例的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统，即电子设备310(例如具备程序执行功能的计算机服务器)，其包括至少一个处理器311，电源314，以及与所述至少一个处理器311通信连接的存储器312和输入输出接口313；所述存储器312存储有可被所述至少一个处理器311执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器311执行，以使所述至少一个处理器311能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述输入输出接口313可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源314用于为电子设备310提供电能。

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.接收侧偏距和航向角，使用主轮刹车纠偏控制方法求解得到差动刹车给定量，并基于所述差动刹车给定量对左右刹车执行机构进行刹车控制；当无人机地速降为预设的阈值速度时，前轮转弯模式切入；

S2.在前轮转弯模式切入时，获取前轮角度回报值作为前轮前馈补偿量；

S3.接收前轮前馈补偿量、侧偏距和航向角，使用前轮纠偏控制方法求解得到前轮角度给定量，并基于所述前轮角度给定量对前轮转弯装置进行刹车控制。

2.如权利要求1所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：S21，获取前轮转弯模式切入时刻前轮角度回报值以及前N拍的前轮角度回报值；S22，将步骤S21中获取的前轮角度回报值求和后取平均值后作为前轮前馈补偿量；N为不含零的自然数。

3.如权利要求2所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，N等于5。

4.如权利要求1至3任意一项所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，所述主轮刹车纠偏控制方法的公式为：

ΔY＝Y-Y_g,Δψ＝ψ-ψ_g

其中，

为侧偏移速度，Y为侧偏距，ΔY为侧偏距差，Y_g为侧偏距给定，ψ为航向角，Δψ为航向角差，ψ_g为航向角给定，r为偏航角速率，δ_b为差动刹车给定量，

为主轮刹车纠偏侧偏距比例控制参数，

为主轮刹车纠偏侧偏距积分控制参数，

为主轮刹车纠偏侧偏移控制参数，

为主轮刹车纠偏航向角控制参数，

为主轮刹车纠偏偏航角速率控制参数，

为主轮刹车纠偏控制器比例系数。

5.如权利要求4所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，所述主轮刹车纠偏控制器比例系数的取值为，

其中，V_G为无人机当前地速，V1、V2、V3、V4分别为第一、第二、第三、第四阈值速度。

6.如权利要求5所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，

当δ_b≥0时，δ_L＝δ_BR，δ_R＝δ_BR-δ_b；

当δ_b＜0时，δ_L＝δ_BR+δ_b，δ_R＝δ_BR；

其中，δ_L为左刹车给定量，δ_R为右刹车给定量，δ_BR为刹车预制量。

7.如权利要6所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，所述前轮纠偏控制方法的公式为：

ΔY＝Y-Y_g,Δψ＝ψ-ψ_g

其中，

为前轮纠偏侧偏距比例控制参数，

为前轮纠偏侧偏距积分控制参数，

为前轮纠偏侧偏移控制参数，

为前轮纠偏航向角控制参数，

为前轮纠偏偏航角速率控制参数，

为前轮纠偏控制器比例系数，

为前轮前馈补偿量，δ_N为前轮角度给定量。

8.如权利要求7所述的面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制方法，其特征在于，所述前轮纠偏控制器比例系数的取值为：

9.一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求9所述的一种面向前轮非零位的着陆滑跑前轮纠偏控制系统。

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