无人机自主着陆高度控制系统的研究

无人机自主着陆高度控制系统设计研究目录第一部分研究背景第二部分自主控制第三部分系统设计第四部分总结与展望B1.1无人机的起源1903年12月17日，美国莱特兄弟驾驶“飞行者1号”成功飞行，实现了人类的飞天梦想，起始了人类的航空史。飞机的发展主要实现了两个跨越：一是就飞行动力和速度而言，飞机从过去的以活塞式发动机为动力的亚声速飞行时代，发展到当前的主要以喷气式发动机为动力的超音速时代；二是就飞行驾驶而言,从过去的有人驾驶,发展到当前的自动驾驶和无人驾驶。未来将是无人驾驶飞机的时代。鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势,其使用范围已拓宽到军事、民用和科学研究三大领域。BC1903年12月17日，美国莱特兄弟驾驶“飞行者1号”成功飞行1.1无人机的起源1917年生产的凯特灵空中鱼雷号,拥有可拆卸机翼，并且可以巧妙地从装有滚轮的手推车起飞1935年生产的蜂王号，在此之前的空中飞行器飞不回起飞点，蜂王号的发明，使得无人机能够回到起飞点，使得这项技术更具有实际价值BD1.2人机关系的三个阶段信息决策控制信息决策控制复杂决策信息决策控制机人（在机）机（相对简单）机机机（复杂）人在环在有人驾驶飞行器情况下,人在控制环节中起主导作用,一切决策问题均由人来完成在无人机自主控制的初级阶段,人不在机但在环,仅参与复杂决策在无人机自主控制的高级阶段,人不在机也不在环,即人不参与控制也不参与决策,只是在适时的时候参与监控机机机BCD2.1自主控制具有自主性或自主能力的控制过程都可以称作自主控制,由于缺乏人为直接的控制决策,其含义强调“无外界控制干涉”,以及“自我控制决策”,从这个意义上讲,自主控制可以看成是自动控制的高级发展阶段。如果从智能程度上看常规的自动控制和自主控制,二者的区别在于常规的自动控制是基于数据驱动的,几乎不具有智能，而自主控制的产生则是信息,甚至是知识驱动的,可以具有很高程度的智能。或者说,自动控制是基于对模型和环境确定性的认识和估计而事先设计和安排好的，并且对控制对象的建模己基本确定。自主控制则具有在线模型辨识,自主决策,自我调节、恢复等能力,当环境和模型发生变化时,它能够在线调整控制率以便达到我们的要求。BD2.2自主控制的结构人机接口环境感知知识基组织器分配器协调器协调器硬件控制器硬件控制器UAV组织级最高决策协调级控制管理执行级执行器智能递增精度递增分层递阶控制结构框图BCD3.1无人机的四种回收方式1.伞降回收：无人机上带有降落伞,它按照预定程序或在遥控指挥下到达回收区上空,然后自动开伞或根据遥控指令开伞,降落在陆地上或水面上。2.空中回收：其开伞的程序与伞降回收方式相同,当无人机打开降落伞在空中飘落时,用直升机等回收母机在空中将无人机回收,然后携带回场着陆。BCD3.1无人机的四种回收方式3.拦阻回收：无人机在地面无线电遥控下,降低高度,减小速度,对着拦阻网飞去。拦阻网由弹性材料编织而成,网的两端还连接有能量吸收器。无人机撞入网中后,速度很快减为零。4.着陆回收：一种是地面操纵人员目视远方逐渐下降高度的无人机,通过遥控装置控制无人机的飞行姿态,直至无人机接地。另一种是无人机按照预先设定好的航迹,自主完成下滑、拉平、着陆的整个过程。BC3.2无人机着陆过程无人机的典型着陆过程无人机进场着陆轨迹图BCD3.3末端拉平轨迹设计合理的拉平轨迹设计可将无人机的下滑垂直速度减小到允许的着地速度范围。它基于飞机瞬时下降速度与高度成比例的思想，在理想情况下，当飞机下降速度为零时，高度也应该等于零，即：（1）由上述微分方程，可得（2）式中，为开始拉平时的高度，为时间常数。式（2）意味着在时间t趋于无穷时高度为零。假设飞机的允许接地速度为。则式（2）可以进一步写为：（3）由上述微分方程，可得（4）BCD3.3末端拉平轨迹设计令，则拉平时间为：（5）在拉平过程中假设无人机的速度为常数，为避免拉平距离无限长，可假设跑平面高出拉平轨迹渐近线的距离，则：（6）式中，表示预设的着地速度。进一步可得到拉平距离为：（7）本次设计的无人机下滑初始速度为20m/s，下滑初始高度为50m，下滑角=—，

为4.2，拉平决策高度为10m。为—0.10m/s，为0.42m。

BCD3.4纵向俯仰设计回路与仿真无人机俯仰控制回路如图1所示图1中，为期望俯仰角，为实际俯仰角，为俯仰角速率。其控制表达式可以表示成：（8）当采用常规PID控制结构时：（9）图1

：无人机俯仰控制回路BCD3.4纵向俯仰设计回路与仿真因此，无人机俯仰角控制回路有两部分参数需要确定，他们分别是俯仰角速率回路的反馈增益与俯仰角回路的PID控制参数。降落时状态方程和输出方程可表示为在控制参数的选取上，为使参数选定更加准确，可首先确定俯仰角速率回路参数，然后以此为基础确定PID参数。已知测试无人机降落时状态方程和输出方程可表示为：于是：=（10）（11）CD3.4纵向俯仰设计回路与仿真图2：俯仰角速率根轨迹图3：俯仰角阶跃响应曲线3.5高度跟踪控制回路的设计与仿真高度控制率如图4所示，图中为期望的飞行高度偏差，为测量得到的高度偏差。图4：高度控制回路BCD3.5高度跟踪控制回路的设计与仿真无人机着陆高度的仿真跟踪曲线如图5所示：图5：无人机自主着陆高度跟踪曲线BCD3.6半物理仿真验证图6：高度跟踪曲线BCD4.总结与展望无人机系统自主控制技术研究,在国内目前还处于起步阶段。要实现无人机在动态不确定复杂环境和时间敏感态势下的自主控制,实现对信息的快速有效的获取、传输