某型固定翼无人机飞控系统的设计与仿真

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1、某型固定翼无人机飞控系统的设计与仿真第1章绪论1.1无人机的发展简介无人机（UnmannedAerialVehicle：UAV）是一种有动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称[1]。在美国的《国防部词典》中，无人机的概念为：无人机是指不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需要的升力，能够自动起飞或进行远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性或非致命性武器有效载荷。[2]相比有人机，无人机一般体积小、重量轻、成本低，并且可以配置任务负载，武器弹药，在完成任务时不易造成人员的伤亡。无人

2、机的分类还没有一个具体的指标，有些概念的界定还较为模糊。一般按飞起重量分可以将无人机分为大型无人机（500Kg以上）、中型无人机（200~500Kg）、小型无人机（200Kg以下）、微型无人机（翼展在15cm以下）；按航程分，可以分为近程无人机（50Km左右）、短程无人机（300Km左右）、中程无人机（1000Km左右）、远程无人机（1000Km以上）；按用途分，可以分为无人侦察机、电子战无人机、靶机、反辐射无人机、对地攻击无人机、通信中继无人机、火炮校射无人机、特种无人机、诱饵无人机；按飞行方式分，可以分为固定翼无人机、旋翼

3、无人机、扑翼无人机、飞艇，也有一些其他的分类。上面所述的无人机主要是指空中飞行的无人机，随着无人驾驶技术的发展，无人机的概念也不再局限于此，也慢慢地扩展为包括所有无人驾驶的机器人，如水下操作机器人。..1.2无人机飞行控制系统的发展飞行控制系统（简称飞控系统）的研究是一个古老而又不失活跃性的技术领域。作为无人机系统中最为重要的部分，飞控系统的性能决定着无人机整个系统的性能和飞行品质，因此，有关它的设计也是无人机系统设计中最为关键的部分。一般而言，无人机的飞控系统主要包括三个部分：可在视距范围内控制的遥控设备、能够进行实时数据采

4、集和执行控制计算功能的自动驾驶仪、能够实时显示飞机姿态、速度、位置信息和能够对飞机进行远程控制的地面站。其中，自动驾驶仪（简称自驾仪）又是无人机飞控系统中的核心，因为它承担着系统的数据采集与通信、任务管理、控制律的计算和控制量的输出等重要任务，同时它也是唯一和其他飞控部分具有信息交流的部件。飞行控制的思想，是伴随着飞机本身的问世而产生的，飞行控制系统的发展已经有100多年的历史了。从1873年自动飞行装置的问世[7]（如法国雷纳德（C.C.Renard）发明的无人多翼滑翔机的方向稳定器），到1912年第一台能够维持飞机平飞的电

5、动陀螺稳定装置研制成功，再到二战时期美国和原苏联的C-1型电气式自动驾驶仪和其仿制品A∏-5，以及德国的V-1型飞航式导弹和V-2型弹道式导弹，飞行控制装置发展迅速，逐渐发展成自动飞行控制系统，直至今日，计算机成为飞行控制系统的核心装置，为系统的综合和新技术的应用提供了实现的可能性。新技术的快速发展和系统集成度的提高，也使得飞行控制系统的功能不断完善，成为决定现代飞机飞行品质和飞行安全的关键系统。..第2章固定翼无人机数学建模2.1无人机常用坐标系刚体飞行器的空间运动可以用其质心运动和绕质心的运动来描述，需要六个自由

6、度：三个质心运动和三个角运动[8]。另考虑到飞机上所受外力及其力矩产生原因的不同，为描述飞机的运动，需要选择合适的坐标系，如飞机相对于地面的位置，只能采用地面坐标系来描述；飞机的转动采用机体坐标系来描述比较方便[32]。原点gO可取地面上的任意一点，gx轴指向某一方向，与gy轴均位于水平面内，且相互正交，gz轴垂直于地面指向地心，三轴的指向符合右手定则。地面坐标系作为衡量无人机具体位置、近距离导航以及航迹控制的基准。原点O取在飞机质心处，坐标系与飞机固连，x轴也称纵轴，位于飞机对称面内，正向平行于飞机的设计轴线指向机头，y轴（

7、横轴）垂直于飞机对称面，正向指向机身右方，z轴与x轴正交于飞机对称面内，正向指向机身下方，也称为立轴。机体坐标系主要用于描述飞机气动力矩和绕质心转动，发动机的推力一般在机体坐标系下进行分析。.2.2无人机运动方程的建立无人机在外力作用下的运动可以用运动方程来描述，通常包含动力学方程和运动学方程[8,33]。如果将其视为刚体，那么可以用六自由度来描述它的空间运动（包括质心的位移和绕质心的转动）。无人机是一个非常复杂的动力学系统。在飞行过程中，它的质量不仅会有所变化，同时也会伴随着结构上的弹性改变，再加上地球本身固有的特性，使得无

8、人机所受的空气动力和无人机的形状以及飞行参数之间呈现出非线性关系[8]，因此需要在无人机运动方程建立初期，要做一定的假设。前面已经提到过，可以用无人机三个线坐标和三个角坐标的六自由度描述来表示无人机的空间运动[34]，包括飞行器质心的位移（线运动：飞行速度的增减运动、升降运动