CN114077259A - 太阳能无人机无动力下滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法包括：内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节；外环根据期望垂速指令对期望速度进行跟踪调节；在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中太阳能无人机无动力下滑控制方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求的技术问题。

Description

太阳能无人机无动力下滑控制方法

技术领域

本发明涉及飞行控制技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机无动力下滑控制方法。

背景技术

发动机停车是无人机的常见事故之一，无人机空中突发停车后，推力消失并且气动力也发生了明显的变化，可能会引发无人机产生失速现象，若没有恰当的应急控制策略则会造成不可挽回的损失。在没有推力的情况下飞机操控性能下降，普通控制器已无法满足应急控制的要求，因此需要对无人机在无动力状态下的下滑控制律进行研究。同时对于太阳能无人机，其主要能源来自机载储能电池和飞机获取的太阳能，太阳能无人机的能源系统转化、存储能力较弱，太阳能板所能提供的功率较小，为满足太阳能无人机长航时的需求，需要结合这一特点设计相应的控制策略，即在高空飞行过程中，下滑段可采用无动力下滑策略，减少为维持速度，电动机调节带来的功率消耗。现有技术中已有通过对无动力下滑控制律的研究实现飞行器无动力下滑的有效和安全控制，一般针对高空再入飞行器，通过离线或在线迭代计算可行航迹，令无人机跟踪航迹完成无动力下滑，这些方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求。

发明内容

本发明提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，能够解决现有技术中太阳能无人机无动力下滑控制方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求的技术问题。

本发明提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法包括：内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节；外环根据期望垂速指令对期望速度进行跟踪调节；在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。

进一步地，内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节具体包括：根据θ_pr＝K_V(V-V_{ias_pr})+K_Vi∫(V-V_{ias_pr})dt构建速度回路的控制律，其中，θ_pr为期望俯仰角指令，V_{ias_pr}为期望指示空速，V为指示空速，K_V为第一速度回路控制参数，K_Vi为第二速度回路控制参数；根据速度回路的控制律对期望速度进行跟踪调节。

进一步地，外环根据期望垂速指令获取期望速度指令以对期望速度进行调节具体包括：根据

构建纵向垂速回路的控制律，其中，，V_c为航点装订速度或设定的基准速度，

为期望垂速指令，

为垂速，

为第一垂速控制回路控制律参数，

为第二垂速控制回路控制律参数；根据纵向垂速回路的控制律对期望速度进行调节。

进一步地，在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制具体包括：根据

构建横侧向回路中偏航通道的控制律，其中，δ_r为方向舵偏角指令，k_r为偏航通道控制参数，

为偏航角速率r的高通滤波值；根据δ_a＝k_pp+k_φ(φ-φ_pr)+k_φi∫(φ-φ_pr)dt构建横侧向回路中内环滚转角回路的控制律，其中，δ_a为副翼舵偏角指令，p为滚转角速率，φ为实际滚转角，φ_pr为期望滚转角指令，k_p为第一滚转角回路控制律参数，k_φ为第二滚转角回路控制律参数，k_φi为第三滚转角回路控制律参数；根据

构建横侧向回路中外环滚转角回路的控制律，其中，DYr为航偏速度，DY为航线侧向偏差，DY_i为航线侧向偏差DY的积分，Δψ_V为飞行器当前时刻航迹角与期望航向的偏差，k_dyr为第一航线跟踪回路控制律参数，k_dy为第二航线跟踪回路控制律参数，k_dyi为第三航线跟踪回路控制律参数，

为第四航线跟踪回路控制律参数；根据横侧向回路中偏航通道的控制律、横侧向回路中内环滚转角回路的控制律和横侧向回路中外环滚转角回路的控制律进行航线跟踪控制和偏航增稳控制。

应用本发明的技术方案，提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法在无动力状态下，内环通过俯仰角调节完成对期望速度的跟踪，外环由期望垂速指令完成对纵向剖面的跟踪，在横侧向回路完成对期望航向的跟踪，以及对偏航通道进行增稳控制，在确保无人机的速度和姿态稳定同时，最大程度完成航迹跟踪，确保无人机在无动力状态下的飞行的可靠性与安全性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中太阳能无人机无动力下滑控制方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机无动力下滑控制方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的速度回路控制结构的示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的俯仰角回路控制结构的示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的偏航回路控制结构的示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的滚转角回路控制结构的示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的航线跟踪控制回路控制结构的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法包括：内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节；外环根据期望垂速指令对期望速度进行跟踪调节；在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。

应用此种配置方式，提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法在无动力状态下，内环通过俯仰角调节完成对期望速度的跟踪，外环由期望垂速指令完成对纵向剖面的跟踪，在横侧向回路完成对期望航向的跟踪，以及对偏航通道进行增稳控制，在确保无人机的速度和姿态稳定同时，最大程度完成航迹跟踪，确保无人机在无动力状态下的飞行的可靠性与安全性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中太阳能无人机无动力下滑控制方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求的技术问题。

进一步地，在本发明中，为了实现太阳能无人机无动力下滑控制，首先内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节。在太阳能无人机无动力下滑阶段，无人机无动力输入，只能通过调节舵面来改变飞行轨迹。因此采用俯仰角调节完成对速度的调节。当升降舵上偏时，飞机速度减小，而下滑角向正方向增加。反之，当升降舵下偏时，飞机速度增加，下滑角向负方向增加。利用纵向姿态可对速度进行快速调整，能够确保速度回路快速收敛。

作为本发明的一个具体实施例，速度回路控制结构如图2所示，该图示出了无人机指示空速跟踪期望指示空速的速度回路控制结构，其中，V_{ias_pr}为期望指示空速，V为指示空速，速度回路控制采用PID控制器，K_V为第一速度回路控制参数，K_Vi为第二速度回路控制参数，θ_pr为期望俯仰角指令，

为无人机俯仰角保持回路传递函数，即为无人机俯仰角跟踪期望俯仰角的响应回路传递函数，

为无人机俯仰角到速度响应传递函数，

为积分模块，根据图2所示的速度控制回路结构可以获取速度回路的控制律：θ_pr＝K_V(V-V_{ias_pr})+K_Vi∫(V-V_{ias_pr})dt，根据速度回路的控制律可对期望速度进行跟踪调节。

在该实施例中，无人机俯仰角保持回路传递函数

的结构框图如图3所示，俯仰角跟踪回路采用PD控制器，其中，k_q为第一控制器参数，k_θ为第二控制器参数，δ_e为升降舵偏指令，G_d(s)为舵机模型传递函数，

为无人机升降舵偏到俯仰角速率q的传递函数。根据图3所示的俯仰角回路控制结构可以获取速度回路中内环俯仰角回路的控制律：

其中，θ为俯仰角指令。

此外，在本发明中，在完成内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节后，外环根据期望垂速指令对期望速度进行跟踪调节。根据具体飞行状况，若在飞行过程中，发动机出现故障导致关车，为确保无人机速度与姿态稳定，仅需要设定安全飞行速度，采用上述步骤中设计的速度回路的控制律进行定空速迫降，保证飞行安全。若在空中为节省能源，采用无动力下滑，则根据任务需要会对期望下滑速率进行跟踪，纵向可采用跟踪垂速的控制策略，根据设定垂速对无人机速度指令进行调节。

作为本发明的一个具体实施例，可设计纵向垂速回路的控制律为

其中，V_c为航点装订速度或设定的基准速度，

为期望垂速指令，

为垂速，

为第一垂速控制回路控制律参数，

为第二垂速控制回路控制律参数。根据纵向垂速回路的控制律可对期望速度进行调节。由于无人机为无动力状态，无人机垂速与速度调节范围较为有限，需要前期对无人机无动力下滑特性进行分析，确定下滑包线范围，避免出现状态在安全飞行包线外的状况发生。

进一步地，在本发明中，在完成外环根据期望垂速指令对期望速度进行跟踪调节后，在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。

针对偏航通道，在航向通道中引入偏航角速率反馈到方向舵，可以增加偏航阻尼，改善荷兰滚阻尼比。作为本发明的一个具体实施例，横侧向回路中偏航回路的控制结构如图4所示，其中，δ_r为方向舵偏角指令，k_r为偏航通道控制参数，G_d(s)为舵机模型传递函数，

为无人机方向舵偏到偏航角速率r的传递函数，

为偏航角速率r的高通滤波值，G_f(s)为角速率高通滤波传递函数。根据图4所示的横侧向回路中偏航回路的控制结构可以获取横侧向回路中偏航通道的控制律

针对横侧向回路，内环为滚动角保持回路，外环为航线跟踪控制回路。作为本发明的一个具体实施例，横侧向回路中内环滚转角回路的控制结构如图5所示，其中，该回路采用PID控制策略，δ_a为副翼舵偏角指令，p为滚转角速率，φ为实际滚转角，φ_pr为期望滚转角指令，k_p为第一滚转角回路控制律参数，k_φ为第二滚转角回路控制律参数，k_φi为第三滚转角回路控制律参数，

为无人机副翼舵偏到滚转角速率p的传递函数，G_d(s)为舵机模型传递函数。根据图5所示的滚转角回路的控制结构可以获取横侧向回路中内环滚转角回路的控制律：δ_a＝k_pp+k_φ(φ-φ_pr)+k_φi∫(φ-φ_pr)dt。

横侧向回路中外环航线跟踪控制回路的控制结构如图6所示，其中，该回路采用PID控制结构，DY_pr为期望航线侧向偏差，DY为航线侧向偏差，DYr为航偏速度，Δψ_V为飞行器当前时刻航迹角与期望航向的偏差，k_dyr为第一航线跟踪回路控制律参数，k_dy为第二航线跟踪回路控制律参数，k_dyi为第三航线跟踪回路控制律参数，

为第四航线跟踪回路控制律参数，G_φb(s)为滚转角回路控制传递函数，D2R为角度转弧度，R2D为弧度转角度，V_gnd为地速，g为重力加速度，根据图6所示的航线跟踪控制回路的控制结构可以获取横侧向回路中外环滚转角回路的控制律：

其中，DYi为航线侧向偏差DY的积分。

根据横侧向回路中偏航通道的控制律、横侧向回路中内环滚转角回路的控制律和横侧向回路中外环滚转角回路的控制律进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。

本发明在考虑到在关车状态下，为保障无人机飞行安全，首先应保障无人机速度控制在安全范围内，本发明的太阳能无人机无动力下滑控制方法相对于其他研究控制律，主要包含无动力条件下的速度控制、纵向垂速控制与横侧向的纠偏控制，能够解决无人机无动力下滑状态下的速度稳定控制。本发明通过调整无人机姿态进行速度调节，在下滑过程中通过速度回路对期望速度进行跟踪，能够实现速度的快速跟踪和收敛。并在速度安全控制的基础上，基于无人机控制能力进行纵向和横侧向航迹剖面跟踪：由纵向姿态调整完成速度回路的调节，同时针对任务需求，在确保速度跟踪的基础上完成对期望垂速的跟踪，以完成对纵向剖面的跟踪。横侧向回路通过滚转完成对期望航向的跟踪，在偏航通道进行增稳控制，本发明的太阳能无人机无动力下滑控制方法能够确保在无动力条件下无人机飞行的跟踪能力与安全性。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图6对本发明的太阳能无人机无动力下滑控制方法进行详细说明。

如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该方法包括以下步骤。

步骤一，根据θ_pr＝K_V(V-V_{ias_pr})+K_Vi∫(V-V_{ias_pr})dt构建速度回路的控制律，根据速度回路的控制律对期望速度进行跟踪调节。

步骤二，根据

构建纵向垂速回路的控制律，根据纵向垂速回路的控制律对期望速度进行调节。

步骤三，根据

构建横侧向回路中偏航通道的控制律，根据δ_a＝k_pp+k_φ(φ-φ_pr)+k_φi∫(φ-φ_pr)dt构建横侧向回路中内环滚转角回路的控制律，根据

构建横侧向回路中外环滚转角回路的控制律，根据横侧向回路中偏航通道的控制律、横侧向回路中内环滚转角回路的控制律和横侧向回路中外环滚转角回路的控制律进行航线跟踪控制和偏航增稳控制。

综上所述，本发明提供了一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，该太阳能无人机无动力下滑控制方法在无动力状态下，内环通过俯仰角调节完成对期望速度的跟踪，外环由期望垂速指令完成对纵向剖面的跟踪，在横侧向回路完成对期望航向的跟踪，以及对偏航通道进行增稳控制，在确保无人机的速度和姿态稳定同时，最大程度完成航迹跟踪，确保无人机在无动力状态下的飞行的可靠性与安全性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中太阳能无人机无动力下滑控制方法主要针对无动力下滑着陆阶段，且计算量较大，工程可行性较低，无法满足无人机的飞行安全性和能源优化的需求的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳能无人机无动力下滑控制方法，其特征在于，所述太阳能无人机无动力下滑控制方法包括：

内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节；

外环根据期望垂速指令对所述期望速度进行跟踪调节；

在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制以完成太阳能无人机无动力下滑控制。

2.根据权利要求1所述的太阳能无人机无动力下滑控制方法，其特征在于，内环根据俯仰角对期望速度进行跟踪调节具体包括：

根据θ_pr＝K_V(V-V_{ias_pr})+K_Vi∫(V-V_{ias_pr})dt构建速度回路的控制律，其中，θ_pr为期望俯仰角指令，V_{ias_pr}为期望指示空速，V为指示空速，K_V为第一速度回路控制参数，K_Vi为第二速度回路控制参数；

根据所述速度回路的控制律对所述期望速度进行跟踪调节。

3.根据权利要求1所述的太阳能无人机无动力下滑控制方法，其特征在于，外环根据期望垂速指令获取期望速度指令以对所述期望速度进行调节具体包括：

根据

构建纵向垂速回路的控制律，其中，V_c为航点装订速度或设定的基准速度，

为期望垂速指令，

为垂速，

为第一垂速控制回路控制律参数，

为第二垂速控制回路控制律参数；

根据所述纵向垂速回路的控制律对所述期望速度进行调节。

4.根据权利要求3所述的太阳能无人机无动力下滑控制方法，其特征在于，在横侧向进行航线跟踪控制和偏航增稳控制具体包括：

根据

构建横侧向回路中偏航通道的控制律，其中，δ_r为方向舵偏角指令，k_r为偏航通道控制参数，

为偏航角速率r的高通滤波值；

根据δ_a＝k_pp+k_φ(φ-φ_pr)+k_φi∫(φ-φ_pr)dt构建横侧向回路中内环滚转角回路的控制律，其中，δ_a为副翼舵偏角指令，p为滚转角速率，φ为实际滚转角，φ_pr为期望滚转角指令，k_p为第一滚转角回路控制律参数，k_φ为第二滚转角回路控制律参数，k_φi为第三滚转角回路控制律参数；

根据

构建横侧向回路中外环滚转角回路的控制律，其中，DYr为航偏速度，DY为航线侧向偏差，DY_i为航线侧向偏差DY的积分，Δψ_V为飞行器当前时刻航迹角与期望航向的偏差，k_dyr为第一航线跟踪回路控制律参数，k_dy为第二航线跟踪回路控制律参数，k_dyi为第三航线跟踪回路控制律参数，

为第四航线跟踪回路控制律参数；

根据所述横侧向回路中偏航通道的控制律、所述横侧向回路中内环滚转角回路的控制律和所述横侧向回路中外环滚转角回路的控制律进行航线跟踪控制和偏航增稳控制。

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