无人机飞行控制系统设计

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1、无人机控制程序设计中科宇图天下科技有限公司无人机控制程序设计文档状态：文档编号：YTTX-QM-01-无人机硬件设计规范[]草稿[√]已发布[]修改中编撰：汪喜斌编撰日期：2012-9-12保密级别：内部资料文档版本：V1.0.040无人机控制程序设计文档控制：文件版本历史日期版本说明作者2012-8-120.5.0初稿梁辉2012-9-101.0.0经总裁批准，正式发布汪喜斌保密等级定义¨公开资料þ内部资料¨保密资料¨机密资料40无人机控制程序设计1无人机概述无人机即无人驾驶飞机，也称为遥控驾驶飞行器，是机上没有驾驶员，

2、靠自身程序控制装置操纵，自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的无人驾驶飞行器，在它上面装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统实现远距离控制飞行。无人机大体上由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效负荷三部分组成。2无人机的数学模型本章首先推导了无人机的六自由度非线性数学模型，然后利用小扰动理论将非线性方程组线性化，最后介绍了平衡点的配平方法，并在飞行包线内典型状态点处进行了配平。2.1常用坐标系简介为了确切地描述飞机的运动状态必须选用适

3、当的坐标系，要想确定飞机在地球上位置就必须采用地面坐标系；要想方便地描述飞机的转动与移动，必须采用机体坐标系或气流坐标系(速度坐标系)。本文只介绍这三种坐标系。2.1.1地面坐标系地面坐标系是与地球固连的坐标系。原点A固定在地面的某点，铅垂轴向上为正，纵轴与横轴为水平面内互相垂直的两轴。一般取纵轴为飞机的应飞航线。用表示航程、表示侧向偏离(向右为正)、表示飞行高度，见图2-1。图2-1地面坐标系2.1.2机体坐标系40无人机控制程序设计机体坐标系是与机固连的坐标系原点在机的重心上,纵轴在飞机对称平面内，平行于翼弦，指向机头

4、为正；立轴也在飞机对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；横轴与平面垂直，指向右翼为正，见图2-2。图2-2机体坐标系2.1.3速度坐标系（气流坐标系）速度坐标系原点也在飞机的重心上，但轴与飞机速度向量V重合；也在对称平面内并垂直于，指向座舱盖为正；垂直于平面，指向右翼为正，见图2-3。图2-3速度坐标系2.2飞机的常用运动参数飞机的运动参数就是完整地描述飞机在空中飞行所需要的变量，只要这些参数确定了，飞机的运动也就唯一地确定了。因此，飞机的运动参数也是飞机控制系统中的被控量。2.2.1姿态角40无人机控制程序设计姿态角主要描

5、述了机体坐标系与地坐标系的差异。包括以下三个欧拉角：1）偏航角ψ：轴在地平面上的投影与地轴之间的夹角，以机头左偏航正；2）俯仰角：机体轴与地平面的夹角，以机头抬头时为正；3）滚转角：机体轴与地轴之间的夹角，以飞机右倾时为正。2.2.2向量与机体坐标系的关系1)迎角(角)α速度向量V在飞机对称平面内的投影，与轴之的夹角，以V的投影在轴之下为正；2)侧滑角β：速度向量V与飞机对称平面之间的夹角，以V处于对称平面之右正2.2.3飞机速度向量与机体坐标系的关系1）航迹倾斜角θ：速度坐标系中OXq轴与地平面的夹角，以速度向上为正；2

6、）航迹偏转角：轴在地平面内的投影与的夹角，以为投影，左偏为正。2.2.4控制量与被控量通常利用副翼、方向舵、升降舵及油门杆来进行对飞机的控制。其中副翼、方向舵、升降舵及油门杆的偏转角分别用来表示，其方向规定如下：：副翼左上右下为正；：升降舵下偏为正；：方向舵右偏为正；：油门杆向前推为正。作为被控对象的飞机，往往把三个姿态角当作主要的被控量，在飞行轨迹的控制系统中H、、V也作为被控量。因此飞机的输入输出的关系可表示如图：2-4无人机的输入输出的关系40无人机控制程序设计2.3前苏联体制下无人机的非线性运动方程组2.3.1无人

7、机六自由度运动方程式的建立基于飞机运动刚体性的假设，我们就可以推导出飞机的一般数学模型为一组提阶的非线性微分方程组(推导过程将在附录A中给出)，这组方程同样适用于我们所研究的IM定翼无人机。根据牛顿定律，其运动方程应由两部分组成:一部分是以牛顿第二定律(动力定律)为基础的动力学方程组(此时将无人机看作刚体)，由此解得无人机相对于机体坐标系的角度向量和角速度向量;另一部分则是通过坐标变换关系得出的运动学方程组(此时将无人机看作质点)，确定出无人机相对于地面坐标系的位置向量和速度向璧。无人机在前苏联体制一F的12阶非线性微分方

8、程组如下所示:式(2·I)一(2.3)中的分别表示作用在无人机上的合力在各机体于是40无人机控制程序设计这里还需要说明一点的是，在实际应用中我们往往不把机体轴上的速度分量Y'气、气作为状态量，而是把V,a,f作为状态A。根据机体坐标系和速度坐标系之1A的关系，我们可以得到机体坐标系下的速度:2.3.2无