无人机的自动着陆控制.doc

基于无人机自动着陆控制的技术研究班级:0308102学号:030810230姓名:朱德政摘要:无人机的自动着陆控制是无人机控制中的一个难点,针对经典PID控制方法所设计的控制律响应速度慢、振荡等现象,提出了一种基于切换输出比例因子的自调整模糊控制方法,设计了无人机自动着陆导引控制方案及控制律,并在试验中得到了验证,并具有很好的静态和动态特性。关键词:自动着陆,无人机,下滑轨迹,控制律,PID控制,模糊控制1引言无人机具有高性能、低成本、隐身性能好、能在恶劣条件下执行任务等特点,具有很高的军事应用价值。随着无人机的体积重量的增加,越来越多的大中型无人机开始采用滑跑起降方式代替以往的火箭发射、伞降回收方式。然而,在着陆阶段,如何保证无人机按照预先设定的航线准确的降落在跑道上是一个难题:在纵向要实现速度、高度、姿态的多维控制,而保持合适的速度以及理想的下滑角度单靠调节发动机油门无法做到;横侧向控制中,无人机在机场上空需要保持平稳的横滚姿态,又要使航线保持在跑道中心线附近,这在有外干扰如阵风干扰时比较困难,另外很重要的一点是为了降低成本,无人机往往不使用额外的着陆导引装置。基于以上阐述,深入研究高性能无人机自动着陆控制律是十分重要的。目前,国内一些科研人员已经进行了相关的研究,但在实际应用中的着陆效果不尽人意,有时还需要靠人工操纵的干预。2无人机自动着陆的关键因素安全性与精确性是无人机自动着陆段追求的主要目标,飞行的安全性与控制的精确性是对控制系统最基本的要求,是自动着陆段控制律设计的基本出发点,是无人机能够安全降落的基础。自动着陆段的控制技术可以分解为几个关键技术:下滑轨迹线设计、下滑轨迹跟踪控制和高精度的航迹控制。下滑轨迹线设计是着陆段的一个关键环节。当无人机的质量和发动机推力固定后,轨迹倾斜角的大小就决定了速度和高度的变化趋势,因此,直线下滑段轨迹倾斜角的设计是最关键的。当给出了下滑轨迹线的数学描述,飞行控制回路按照下滑轨迹线提供的高度剖面进行高度回路的跟踪制。只要可以精确跟踪合理的高度,因此,在着陆过程中,下滑轨迹线设计就成了一项关键的技术。下滑轨迹线设计的一个困难是接地速度是预先设定的,沿着下滑轨迹线飞行时,每一个下滑段的速度剖面如何分配和控制。在速度进行分配过程中,又要与高度剖面相结合,共同协调完成对轨迹线的设计。下滑轨迹跟踪控制是保证无人机在安全的着陆范围内着陆的主要方式。飞行控制系统以相对较高的精度按照下滑轨迹剖面飞行,即可保证无人机进场着陆的安全性以及进场着陆触地时的位置、速度、下沉率等指标要求,同时达到速度控制的目的。由于跑道宽度的限制,高精度的航迹控制是无人机着陆段的关键技术之一,是确保无人机能够着陆在跑道上的基本前提。高精度的控制需要高性能的控制规律和高精度的信号源。高精度的航迹控制从控制策略上就要解决航迹控制的高精度问题,在控制结构实施过程中要对不同反馈信号对航迹控制精度的影响进行定量分析,并设计出无静差、抗阵风的航迹控制器,该航迹控制器同时还具有对回路中其它反馈信号的不敏感性。自动着陆的总体结构无人机在完成飞行任务之后,将进入进场着陆过程。无人机首先要放下起落架,然后切入下滑轨迹线,沿轨迹剖面飞行直至触地。全部过程可以分为进场飞行段、轨迹捕获段、直线下滑段、末端拉平段和地面滑跑段五个阶段。无人机的进场着陆轨迹如图1所示。具体过程如下:图1着陆过程轨迹图无人机自动着陆方案该无人机的操纵面包括升降舵面、副翼舵面、方向舵面和扰流片,升降舵用于控制飞机的纵向,副翼用于控制飞机的滚转方向,方向舵用于调节航向,扰流片用于下滑着陆时增加阻力,调节速度。为了保证着陆时无人机及机载设备的安全,应对其落地的各项指标加以约束,一般来说,,航迹偏差在跑道中心线的左右5m范围内,且应有一定的抬头角度,但该角度不可过大,一般在6°~12°。基于指标的要求,针对文中所研究无人机的控制方案是:预先设定一个着陆窗口,在无人机准备降落并飞行到该窗口时,自动执行着陆程序,该程序实时判断当前高度(由无线电高度表测得)和预先设定的该点高度之间的偏差∅H,并通过控制飞机的相应舵面、发动机油门来改变飞机的飞行状态,并最终消除高度偏差。在该过程中,需要偏转扰流片以增加阻力,进而调节速度。横侧向使用航迹控制模式,即实时求得当前的侧向偏移∅Y(由GPS数据求得),通过副翼和方向舵控制飞机消除侧向偏移,并在着陆时保证无人机的滚转姿态平稳。自动着陆控制结构简图如图2所示。图2自动着陆控制结构简图其中,无人机输出的速度、高度、侧向偏移、各姿态角等参数进入纵向控制和横侧控制模块,该模块中运行自动着陆导引控制律,控制输出驱动相应的舵面,从而带动无人机沿着预先设定的着陆轨迹降落。副翼和方向舵偏转用于横侧控制,发动机油门、升降舵和扰