无人机自主着陆控制

发布时间：2016-12-09 15:15

第1章 绪论

空中回收适用于中小型无人机，但该方式较少被采用。空中回收的回收母机通常为有人驾驶的直升机，空中回收系统安装在母机上。被回收的无人机上不仅需要有阻力伞和主伞之外，还需要有钩挂伞、吊索和可旋转的脱落机构。当被回收的无人机在空中打开降落伞飘落时，回收母机通过钩挂伞和吊索将无人机回收，然后携带其至安全着陆区域进行垂直着陆回收。无人机空中回收受天气与风况影响较大，母机驾驶员需要具有较有高的飞行驾驶技术[21~24]。着陆滑跑回收是中大型无人机普遍采用的回收方式，具体回收过程与有人机降落过程类同。无人机着陆滑跑回收对机场的要求远不及有人机场复杂，其对跑道位置、面积、周边地形和地面导航设备的要求与普通有人机机场相比简单很多[25~35]。无人机自主着陆控制是无人机着陆回收的重难点[36~46]。为保证机载设备能够安全回收，某些无人机的起落架结构设计成较脆弱的形式，允许着陆接地时损坏，吸收能量，，减小振动，同时可减小滑跑距离。参考舰载有人机短距着陆过程，某些无人机在机尾安装尾钩装置，在着陆滑跑过程中，地面拦截绳挂住尾钩，使无人机受阻滑停，缩减滑停距离。

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第2章 动力学建模及飞行性能分析

2.1 引言

本课题研究的飞行器平台为中科院长春光机所自主研发的某型号无人机，该机采用 V 型尾翼，单活塞发动机配螺旋桨，前三点式起落架结构。其主要参数如表 2.1 所示。无人机飞行力学模型是一个非常复杂的动力学系统，为简化所研究的问题，给出如下合理的假设：1) 无人机为刚体模型；2) 无人机质量和转动惯量不随时间变化；3) 重力加速度不随高度变化；4) 忽略地球曲率，即“地球平板假设”；5) 忽略地球自转影响，即地面坐标系等同惯性坐标系。在以上假设的基础上，无人机的运动将被视为六自由度的刚体运动，即分别绕三个坐标轴角运动和沿三个坐标轴的线运动。

2.2 坐标系定义及其相互转换

合理选择不同坐标系来定义和描述飞行运动参数是建立无人机动力学模型并进行飞行控制系统分析和设计的基础。本文以欧美坐标系定义方法为基准，坐标系符合右手螺旋定则，具体定义形式如下。1) 地面坐标系取地面的某一点（飞机初始位置）作为原点go 。g go x 轴处于水平面内沿着起飞方向，向前为正；g go y 轴位于水平面内且与g go x 轴垂直，向右为正；g go z轴垂直于地面，向下为正。2) 机体坐标系取无人机的质心作为机体坐标系的原点bo ，坐标系与飞机固连，b bo x 轴与机身的轴线重合，并处于机身的纵向对称面内，向前为正；b bo y 与纵向对称面垂直，向右为正；b bo z 位于纵向对称面内与b bo x 垂直，向下为正。3) 速度坐标系取无人机的质心作为坐标原点ao ，a ao x 与无人机空速方向一致，向前为正；a ao z 轴垂直a ao x 且位于纵向对称面内，向下为正，a ao y 垂直于a a ao x z 平面，向右为正。当无风时，飞行速度为气流速度（空速），当有风时，气流速度（空速）不等于飞行速度（地速）。4) 稳定坐标系取无人机质心为坐标原点so ，s so x 轴是飞行速度在飞机纵向对称面内的投影，向前为正，s so z 轴垂直s so x 位于纵向对称面内，向下为正，s so y 垂直于纵向对称面，向右为正，并与机体坐标轴b bo y 重合。

第 3 章 自主着陆策略制定及航迹规划................39

3.1 引言 ..............................39

3.2 自主着陆策略制定 .........39 

3.3 自主着陆航迹规划 ........................44 

3.4 本章小结 ........................49

第 4 章 自主着陆内模控制器设计.................51
4.1 引言 ..................51

4.2 内模控制基础 ...............51 

4.3 着陆飞行纵向内模控制器设计 .....................58 

4.4 着陆飞行横向内模控制器设计 ...............65 

4.5 地面滑跑横侧向内模控制器设计 .................71

第 5 章 自主着陆自适应内模控制器设计....................................77

5.1 引言 .................77
5.2 自适应内模控制 ............77

5.3 着陆飞行纵向自适应内模控制 ...........78 

5.4 着陆飞行横向自适应内模控制 ............ 80

5.5 地面滑跑横向自适应内模控制 .........81
5.6 系统数字仿真 .............82

第6章 自主着陆半物理试验

6.1 引言

系统数字仿真不包含航电系统硬件的参与，在飞行测试之前，需将控制律写入机载计算机，并与可进行地面测试的航电硬件进行联合调试，验证系统功能的完整性和协调性，即半物理测试。半物理测试系统包括飞行控制和地面仿真两部分，分别实现流程控制、飞行指令设定、飞行控制、被控对象模拟、导航设备模拟、通信数据交互、上位机调参和实时数据显示等功能。

6.2 半物理测试原理

半物理测试原理如图 6.1 所示。被控对象模拟采用飞行动力学模型仿真机实现，通过模型仿真机实时计算并输出飞行状态。GPS 模拟器接收模型仿真机输出的地速、加速度、姿态及位置来模拟 GPS 信号，再由 GPS 接收机解算出地速和位置。三轴仿真转台接收仿真机输出的姿态角信号驱动转台转动，模拟飞行姿态，安装在转台上的 INS 随转台一同转动，模拟机体的姿态角运动。动静压模拟器接收模型仿真机输出的速度和高度模拟相应的动压和静压，大气机接收动压和静压信号解算出空速、真空速、马赫数和气压高度。负载模拟器接收仿真机解算的铰链力矩指令来模拟舵面产生的铰链力矩。机载计算机接收上述全部信息，调用相应的控制律进行解算，输出舵指令给舵机系统，舵机系统响应舵指令，采集舵机响应并将舵响应反馈至机载计算机和模型仿真机，分别用以解算控制律和飞行状态参数，从而形成整个闭环系统。
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第7章 总结与展望

本课题以中科院三期知识创新工程 “小型隐身无人机总体技术” 项目为依托，结合具体任务需求和项目指标，对无人机系统建模、飞行性能分析、自主着陆策略制定及航迹规划、控制律设计及系统数字仿真、半物理测试等方面进行理论分析或试验研究，取得了一些有意义的结果，并应用于中科院长春光机所某无人机。本文完成的主要工作及所得的结论如下：1）在考虑螺旋桨发动机旋转引起的气动反扭力矩、发动机安装推力线偏心及无人机本身停机角设计等因素影响的情况下，建立了无人机空中飞行和地面滑跑的六自由度非线性模型。在飞行运动解耦的基础上，利用小扰动线性化原理分别将运动模型线性化，非别给出了无人机空中飞行和地面滑跑的线性化模型表达式。分析了样例无人机的飞行性能，分别给出气动特性、推力特性、纵向机动特性、横向机动特性和模态特性的分析结果。

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参考文献（略）

本文编号：208615