无人直升机自动航线飞行控制律设计与仿真

无人直升机具有悬停、小速度全向机动、大速度前飞等飞行能力,其飞行包线范围大,对飞行控制律设计的要求很高。无人直升机在进行自动航线飞行时,不仅涉及的飞行模态多,而且需要满足复杂的飞行航线需求。根据无人直升机复杂的航线飞行特点,对其航线飞行过程进行区域划分,针对不同划分区域,采用工程上常用的PID控制方法和衰减软化技术,设计了高度控制器、纵向位置控制器、横向位置控制器、协调转弯控制器和控制器问的切换算法,并进行典型航线飞行的数字仿真。仿真结果显示,无人直升机飞行航迹与设定航线的重合性较好,模态切换稳定平滑,从而验证了无人直升机自动航线飞行控制律设计的正确性,为后续工程应用奠定基础。     

无人直升机悬停及小速度飞行精确控制设计与仿真

采用姿态内回路和位置外回路的控制方法,设计无人直升机悬停及小速度飞行控制律,并进行仿真验证控制的精确性。     

基于Simulink的无人机自主飞行全程仿真研究

研究在Simulink下进行无人机自主飞行全程仿真的方案,用Aerospace模块建立无人机的非线性数学模型,以Simulink的使能模块构造内回路控制律,Stateflow实现外回路的制导、导航模块,并使用仪表模块和虚拟现实模块实现实时监控,可以搭建出完全基于Simulink的模型,能够实现控制律和控制策略的仿真验证。无人机的多模态仿真结果说明Matlab/Simulink下实现飞行控制全程仿真的有效性。     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

微小型直升机非线性鲁棒控制器设计

针对含有未建模动态的微小型直升机非线性模型,设计了基于反步法和自适应模糊系统的自主飞行控制器.该控制器包含两个回路:航迹控制外回路和姿态控制内回路.外回路通过旋转矩阵实现对内回路姿态的控制,而非传统的欧拉角或姿态四元数.控制器采用自适应Takagi-Sugeno(TS)模糊系统在线补偿系统未建模动态的影响,并利用反步法完成控制器综合.所设计的算法在确保整个控制系统稳定性的同时又可保证系统能够有效应对未建模动态的影响.系统仿真结果表明,在盘旋上升飞行模态下控制系统能够快速准确地跟踪预设轨迹,并且具有良好的鲁棒性能.     

基于H∞理论的直升机解耦控制

针对直升机的特点,提出应用基于线性矩阵不等式的Ｈ∞控制理论对直升机进行解耦控制。分析讨论了设计中加权函数阵的选取,对在设计应用中出现的控制器运动模态过快的问题,提出了解决方案,通过对ＵＨ－６０直升机的“姿态命令／姿态保持”响应模式的解耦飞行控制器设计,验证了Ｈ∞控制理论对直升机解耦控制,以及所提解决控制器运动模态过快方案的有效性。     

基于飞行品质模拟器的控制律开发技术

在某型高级教练机全电传操纵系统多模态控制律设计开发工程实践中,采用飞行品质模拟器进行控制律迭代优化设计,通过直接面向用户(飞行员)的控制律设计技术,实现了从过去“我们做什么用户用什么”到“用户需要什么我们做什么”理念的转变,建立了控制律设计人员与飞行员互动的设计开发团队,既有利于将飞行员丰富的飞行经验转换为设计需求,又有利于设计者真正理解用户需求,不断迭代优化控制律,直至获得满意的飞行品质.该项技术的采用提高了控制律设计质量,加快了控制律设计及系统研制进程.     

基于显模型跟踪的直升机自动飞行模态设计

阐述了将已设计完成的四通道 MFCS 作为内回路,按自动飞行设计任务规范要求,对MFCS 进行扩展。形成外回路模态:空速控制与保持、高度控制与保持及航向控制与保持。同时提出了工程简化设计方法,并对它们所具有的优良性能进行了实时物理仿真验证及性能分析。     

基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

提出了一种改进的无人直升机H_∞回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术引入到无人直升机高带宽控制器设计,根据飞行扫频数据,得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应,依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型,采用改进的H_∞回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器,针对H_∞回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题,利用了最大右约数(GCRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比,使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度,系统的解耦性和频带也显著提高,而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证,所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。     

过失速大机动飞机的飞行控制律设计

对新一代带推力矢量的战斗机在大迎角过失速机动下的飞行控制律进行设计,并进行了机动指令飞行仿真。引进推力矢量技术,建立带推力矢量的飞机模型方程;采用奇异摄动理论,将控制回路分为两个快慢(内外)回路,对每个回路分别用动态逆方法进行飞行控制律设计;并采用结构奇异值μ综合和分析的方法对快(内)回路设计了鲁棒控制器;最后所设计的控制律进行了机动指令飞行仿真,仿真结果表明设计的过失速机动控制律良好。     

控制阵解耦的直升机显模型跟踪飞控系统设计

以某型武装直升机为例,在电传控制方式下,从工程易实现的角度出发,仅通过对控制阵B解耦,设计直升机显模型跟踪飞控系统。重点阐述了解耦矩阵Bd的设计,主要讨论当B不为方阵时,如何从广义逆矩阵的角度设计解耦矩阵,同时还需解决内回路多变量输入输出维数不一致的问题。通过定量分析评估所设计的模型跟踪系统的性能。完成内回路设计后,采用单输入单输出经典控制方法设计外回路。仿真结果验证了内外回路单独独立设计的可行性。     

Design of Flight Control System for a Small Unmanned Tilt Rotor Aircraft

A tilt rotor is an aircraft of a special kind, which possesses the characteristics of a helicopter and a fixed-wing airplane. However, there are a great number of important technical problems waiting for settlements. Of them, the flight control system might be a critical one. This article presents the progresses of the research work on the design of flight control system at Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA). The flight control law of the tilt rotor aircraft is designed with the help of an inner/outer loop control structure and an eigenstructure assignment algorithm on the basis of a proper mathematical model already verified by the wind tunnel tests. The proposed control law has been born out through the construction of the flight control system and the flight tests. Now, the flight tests are still underway on a prototype of small unmanned tilt rotor aircraft. The results have evidenced the credibility of the aircraft design and the effectiveness of the flight control system for the tilt rotor working in the helicopter mode. A full envelope flight test is planned to carry out further researches on the flight control law.     

小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制研究

以某小型无人直升机为对象,采用分体法分析了机体各部分受力情况。根据力与力矩的平衡关系,获得了无人直升机完整的非线性飞行动力学数学模型。基于所建模型,进行了所有飞行状态下无人直升机的配平计算。根据配平结果,获得了悬停时的线性状态空间模型,在考虑风扰动前提下,采用H∞静态输出反馈控制方法对无人直升机内外回路控制器进行了设计。仿真结果表明,所建模型的配平结果与实际直升机特性基本相符,验证了模型的有效性;H∞综合控制方法较好地实现了对扰动下无人直升机状态的控制,表明该算法具有良好的鲁棒性、解耦性及跟踪特性。     

四旋翼无人机非奇异终端滑模位置控制器设计

针对四旋翼无人机存在模型不确定性、在野外飞行时易受外界环境干扰问题,首先采用牛顿-欧拉法进行系统建模;然后按照内外环控制结构,外环位置控制器输出姿态指令作为内环姿态控制器的输入,内环采用串级PID控制器,重点针对外环设计了一种非奇异终端滑模控制器,并基于Lyapunov理论证明了位置子系统的稳定性,得出系统误差能够在有限时间收敛到0的结论;最后,通过定点控制和轨迹跟踪仿真,表明控制器具有较快的响应速度和良好的抗干扰性能,能够快速精确地进行轨迹跟踪。     

Full mode flight dynamics modelling and control of stopped-rotor UAV

The Stopped-Rotor (SR) UAV combines the advantages of vertical take-off and landing of helicopter and high-speed cruise of fixed-wing aircraft. At the same time, it also has a unique aerodynamic layout, which leads to great differences in the control and aerodynamic characteristics of various flight modes, and brings great challenges to the flight dynamics modelling and control in full-mode flight. In this paper, the flight dynamics modelling and control method of SR UAV in full-mode flight is studied. First, based on the typical flight profile of SR UAV when performing missions, using the theory and method of fuzzy mathematics, the T-S flight dynamics model of SR UAV in full-mode flight is established by synthesizing the flight dynamics model of each flight mode. Then, an explicit model tracking and parameter adjusting control system based on fuzzy theory is designed to enhance the stability of the inner loop of SR UAV in full-mode flight, which effectively reduces the coupling between axes and improves the control quality of the system. Finally, the outer loop control system is designed by using classical control method, and the control law of SR UAV in full-mode automatic flight is obtained. The simulation results show that the proposed control system design method is feasible and effective, which lays a solid foundation for the subsequent engineering implementation of the SR UAV.     

轴对称无人直升机的一种全向控制方法

针对轴对称构型的无人直升机,在速度控制回路的基础上,提出了一种能够保证飞行过程中航向恒定的全向控制方法。通过分析无人直升机的特征值分布、状态响应和操纵响应特性,得到无人直升机在对称轴的法平面内具有各向一致性,具备实现全向控制的条件。提出了将给定速度在对称轴法平面内进行分解,并考虑侧偏修正的全向控制规律。仿真试验表明,全向控制能够精确地跟踪给定航迹,保持飞行过程中的航向恒定,在不转动机体的情况下,实现向各个方向的飞行。方法也可推广到其他类似的轴对称飞行器。     

基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

滑模观测器在临近空间高动态UAV中的应用

针对临近空间高动态无人飞行器(UAV)再入飞行动态范围跨度大,气动参数存在不确定性等特点,利用李雅普诺夫方法设计了具有不同时间量程的双回路滑模控制系统。其中外环采用常规设计;内环控制器设计将控制力矩分为两部分:一部分对UAV已知的动态部分进行稳定控制;另一部分由相应的滑模观测器生成,用来稳定和削弱飞行过程中的干扰项,以增加控制系统的鲁棒性。该控制系统克服了经典控制方法的缺陷,无需大量的增益调节,而能自动适应非线性和强耦合的对象特性,并能适应大范围环境变化,减小对不同飞行条件下气动与结构参数的依赖性。仿真结果证明了所提出的控制器设计方法的有效性,具有较高的姿态跟踪精度。