无人机垂直突风风扰响应控制指令设计

由于无人机具有重量轻、体积小、速度低、飞行高度低等特点，在执行任务时易受到大气环境的影响。因此，无人机需具有良好的稳定性来抗御外界的扰动，研究其风扰响应特性是十分必要的。对于无人机风扰特性的研究，传统的方法是通过在风场中进行飞行试验，采集无人机的飞行状态响应数据，进而完成无人机的风扰特性评定，但这种方法会受到经济、安全和测试等因素的制约。本文提出了一种在平静大气下模拟无人机风扰响应的可行方法，即在试飞过程中通过嵌入式输入信号来激励无人机，使其产生能够模拟受风扰的运动响应，进而通过试飞数据来评定无人机的风扰响应特性。这种方法不依赖于气候条件，具有高效、经济的特点，适用于无人机风扰响应特性的量化评估。目前，国内外通过飞行试验方法对无人机的运动特性进行飞行评定的研究工作主要集中于激励信号的设计方法及系统辨识方法的研究方面。1嵌入式指令设计方法1.1设计原理首先，为了准确地获取无人机的风扰响应，应建立无人机的六自由度模型，将欲模拟的风扰模型施加于无人机本体，获得无人机在风扰下的飞行试验数据；其次，在仿真得到的飞行试验数据中，选择能够表征无人机风扰响应特性的关键飞行状态参数；第三，将无人机风扰响应典型表征参数的响应作为跟踪目标，将无人机的高增益闭环飞行控制系统视为新的被控对象，设计外环PID控制器；最后，调整PID控制器参数，保证整个大闭环系统的稳定性，使无人机在嵌入式指令输入下的典型参数响应与无人机在施加风扰后的典型参数响应基本一致。进而，将通过这种方法获得的嵌入式指令直接输入至舵面即可模拟无人机的风扰响应。其控制结构如图1所示。14用图1缺入式指令设计控制器结构F略-1Slruccureofembeddedmgiructi由idesignconim]Lar1.2风扰模型无人机的飞行速度及飞行高度较低，在整个飞行剖面中最常遇到的大气扰动类型是突风。突风包括离散突风和连续突风。前者表示确定性的风速变化；后者表示大气紊流。由于在实际飞行试验中常使用离散突风，因此，本文主要以离散突风为风扰模型展开研究。离散型突风模型又分为全波长和半波长，可以用来表征任何方向的突风分量，在必要时还可以将多个半波长离散突风模型按顺序连接起来，构成新的突风形式。本文在仿真中选用了半波长的离散突风模型。其数学表述为：式中：VWm为突风的最大风速；md为离散突风的最大风速位置。其风速随位移变化的趋势如图2所示。速速图2半波长离散突风模壁]"ig.2HaJ^wavelen^thdiscretegu&tmodel1.3指令选取为了在试飞过程中模拟无人机的风扰响应，需设计舵面的嵌入式输入信号来激励无人机，使无人机的响应与其实际的风扰响应相同。在无人机受到大气扰动后，多个飞行状态参数将发生变化，而无人机的操纵面是有限的。因此，无法通过单个嵌入式指令同时跟踪所有的飞行状态参数。对无人机来说，其抵御风扰的能力主要体现在两个方面：一是飞机在遭遇风扰后飞行状态参数变化的幅值特性；二是飞机在遭遇风扰后的收敛特性。本文重点关注无人机遭遇风扰后各飞行参数的收敛特性。因此，选取能表征无人机稳定特性的飞行状态参数作为嵌入式指令的跟踪信号。若嵌入式指令能够跟踪这些飞行状态参数，则认为嵌入式指令能较好地激发无人机的风扰响应。无人机的纵向稳定特性主要体现为短周期模态特性，因此选取迎角与俯仰角速度作为设计嵌入式指令时需要跟踪的关键飞行参数。1.4控制舵面选取根据飞行力学原理，在其他操纵面保持不变，单独操纵升降舵的情况下，飞机的迎角和俯仰角速度应呈同向变化。即迎角增大，俯仰角速度增大，或迎角减小，俯仰角速度同时减小。而飞机在受到风扰后，迎角与俯仰角速度在受扰初期呈反向变化。显然单独使用升降舵无法同时跟踪迎角及俯仰角速度。为了实现对垂直突风下迎角和俯仰角速度响应的同时跟踪，本文采用了一种新的控制策略，升降舵与副翼组合控制。即先通过副翼同向偏转提供附加升力控制飞机的迎角，再通过升降舵偏转改变俯仰力矩以控制飞机的俯仰角速度。2仿真与分析2.1算例介绍选取某无人机作为算例飞机，为了保证无人机具有良好的操稳特性，建立了以法向过载和空速为指令构型的纵向控制增稳控制律（见图3）。无人机的纵向增稳控制律包括：内环增稳回路、外环过载控制回路与速度控制回路。其中，内环增稳回路以俯仰角速度和过载作为反馈变量改善飞机的频率及阻尼特性；外环过载控制回路选取过载作为控制指令，减去飞机实际过载，求得过载误差后通过比例及微分通道计算得到所需的舵面指令，进而实现对过载指令的控制。速度控制回路通过以空速Va作为反馈变量，与速度指令对比后求得速度误差，最后通过比例积分回路实现了对空速的控制。K*为各回路的增益。本文仅研究模拟垂直离散突风的嵌入式指令设计方法，因此，未针对无人机设计横航向的增稳控制律。为了下文更加方便地进行描述，建立了3种不同风速的离散突风模型编号为1,2,3,最大风速分别为5m/s，10m/s和15m/s，最大风速位置均为100m，风速方向为垂直向下。图3无人机纵向增稳控制律Fig.3LDngitudLnal5tabi]k[yaugmeritanoncontrollav/s2.2无人机对垂直离散突风的响应特性飞机初始以78m/s的速度在500m高度定直平飞。选取最大风速为5m/s，10m/s，15m/s的1-cosine型半波长离散突风模型来计算并分析无人机对垂直突风的响应特性垂直离散突风对飞机纵向响应的影响主要反映在迎角和俯仰角速度的响应上。对应无人机短周期特性最重要的两个参数是短周期自然频率和阻尼比。图4为不同最大风速的垂直突风下无人机的迎角和俯仰角速度响应。本资料属于购线网所有，如需转载，请注明出处，更多资料查看，请前往购线网！图4无人机在不同厩况下的迎角和俯仰角速度响陀

Fig.4Responsent1angleofattackandpiielirateundervarioiM

gust^iLuatioiis由图可知，飞机在2s处遭遇垂直向下的突风，来流速度具有向下的速度分量，迎角减小，俯仰角速度增大。当t=3s时，风速达到最大值，来流方向稳定，俯仰角速度减小，迎角增大。经过短暂振荡后，俯仰角速度收敛至零，迎角收敛至一个比配平迎角稍大的值。对比不同最大风速的垂直突风下飞机的俯仰角速度响应可知，随着最大风速的增大，俯仰角速度的振荡幅值相应增大，而其收敛特性均保持一致。以风况1与风况3为例，采用副翼及升降舵作为操纵面，通过设计PID控制器，所获得的嵌入式指令及对风扰响应的跟踪结果如图5和图6所示。由图可知，对于风况1,在副翼和升降舵的组合指令作用下，无人机的迎角与俯仰角速度响应与其在受到垂直离散突风后的响应基本一致。对于风况3,指令信号中副翼在t=2~4s时达到饱和，导致无人机的迎角响应无法较好地跟踪风扰响应。这是由于副翼同向偏转所提供的升力是有限的，当迎角变化所需的升力超过了副翼所能提供的最大升力，则舵面趋于饱和，跟踪效果变差。因此，采用嵌入式指令信号方法可模拟的垂直突风大小受到无人机舵面效能的限制，对于算例飞机，采用嵌入式指令可模拟的最大垂直突风速度为7.5m/s。陋5不同垂直阵风下底凡式指令可计阱果Fi^.5Embeddedniscructioiidesignre^uLtsunJeryannu^guslsitualLDns

图6不I可垂直阵风下慷人式指舍跟踪箜果Fig.6TrackingreiuLisnfembeJJedinsbucLionundervaiiaus 风况1握曲响应 幌指令响应/--•风况3扰动响应n;图6不I可垂直阵风下慷人式指舍跟踪箜果Fig.6TrackingreiuLisnfembeJJedinsbucLionundervaiiaus 风况1握曲响应 幌指令响应/--•风况3扰动响应n;―』裁谢令面应£U§tSLEUatIB也本文提出了一种用于模拟实际风扰响应的嵌入式指令设计方法，并