2023年无人直升机自动起降控制及试飞验证.doc

无人直升机自动起降控制及试飞验证无人直升机自动起降控制及试飞验证 叶文辉 摘要：本文针对无人直升机近地悬停与脱离地效悬停之间不同的飞行特点，进行了单旋翼带尾桨无人直升机自动起飞与着陆控制策略研究，提出了一种无人直升机自动起飞与着陆控制方法及控制流程图，并在某型 500kg 级无人直升机上进行了试飞验证，结果表明所提出的控制方法达到了预期控制精度要求。关键词无人直升机 自动起降 试飞验证 无人直升机不仅能垂直起降，还能实现空中定点悬停，军事上丰富了战场侦察、通信中继、目标搜寻等手段，民用方面可用于构建多维度的海事巡查等。无人直升机进行自动起飞与着陆（简称自动起降）时间短，耦合性与非线性强，控制难度大。期间不仅要保证无人直升机姿态平稳，在不同飞行阶段还需运用不同的控制策略以确保无人直升机起降安全、位置偏差和升降速度满足要求。1 自动起降过程的控制要求 要实现较好的无人直升机自动起降过程控制，关键在总距通道的控制。而强耦合性的特点导致起降过程中还必须考虑总距控制对其他通道控制上造成的影响。起降过程因其状态变化很小，状态耦合造成的影响可以不用考虑。所以基于工程控制的实际要求，在设计自动起降控制策略与高度通道控制律时仅仅将操纵耦合考虑在内。在所设计的控制系统里，将其划归为五个主要控制通道，即纵向控制通道、横向控制通道、尾桨控制通道、高度控制通道和发动机转速控制通道。为了确保无人直升机自动起降时不发生侧翻并减小侧偏距离、爬升过程平稳，控制系统对每个控制通道都都有较高的精度要求：（1）离地与触地瞬间，无人直升机的纵向力矩和横向力矩呈平衡状态，且离地与触地过程中姿态角必须在限定的范围之内;（2）自动起降提距与降距过程中易产生共振，对俯仰角速率和滚转角速率最大值进行限制;（3）限制最大位置偏差和航向偏差，起降过程位置偏差5m，航向保持精度：+3;（4）高度变化过程中的升降速度限制。2 控制策略 为较好实现自动起降控制，定义了三个起降控制状态，分别是：起飞准备、自动起飞、自动着陆。2.1 自动起飞控制 将自动起”飞过程分解为两步完成：第一步为控制无人直升机快速提升总距直到飞离地面，预期目的为防止离地瞬间出现侧翻或侧向位置漂移;第二步为飞离地面后平稳爬升到预设离地高度，并进行自动悬停。以下为详细实现方法：（1）自动提距：为了消除无人直升机在起飞阶段由于提距过慢导致的振动偏大现象，因而此过程总距快速提升。（2）离地爬升：判断无人直升机是否飞离地面，若飞离地面则接入高度通道控制律。（3）定速爬升：提升爬升速度，最大爬升速度限制为 1.5m/s，若无人直升机爬升到预设离地高度则接入悬停控制律，实现平稳悬停，并完成高度通道的自主控制。2.2 自动着陆控制 自动着陆具体控制策略如下：（1）下滑阶段：关闭悬停控制律，启动垂向速率控制律，快速由悬停点下降到安全高度，最大下降率设定为 1m/s。（2）自动着陆：1.根据无人直升机与着 陆点的相对位置偏差实时调整其位置，使位置偏差满足要求;2.依据起落架的承载能力，实时调节升降速度至限定范围之内，避免对起落架造成损坏。（3）地面降距：判断无人直升机是否着陆，着陆后快速降低总距，并关闭各个通道控制律。3 飞控软件设计与实现 针对有地效和无地效的不同飞行特性和自動起降控制策略，为保证不同状态的平滑过渡，飞控软件设计如图 1.图 2、图 3 所示。高度通道控制律结构如图 4。4 半物理仿真 将设计的控制策略与控制律进行半物理仿真，该半物理仿真系统使用的飞控计算机与某型无人直升机机载飞控计算机硬件一致、自动起降控制以外控制策略一致，得到仿真结果如图所示。自动起飞仿真结果见图 5-图 6，自动着陆仿真结果见图 7-图 8。5 试飞验证 为验证提出的控制方法及控制流程实际控制效果如何，在某型 500kg 级无人直升机上进行了试飞验证，试验当日平均风速小于 3m/s。其中自动起飞试飞结果见图 9-图 10，自动着陆试飞结果见图 11-图 12。6 总结 从试飞结果看：（1）自动起降过程中过渡过程和高度变化曲线平滑，达到预期控制效果;（2）姿态平稳，姿态角变化符合控制要求;（3）纵向与横向位置均在 2m 以内;（4）升降速度误差小于+0.2m/s。因此，所提出的自动起降控制方法达到了预期精度要求。参考文献 1高保方，曾国贵，廖智麟。小型无人直升机自动起降控制技术研究及验证J.直升机技术，2013（01）.