穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252015V01．36No．51673—1683ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．CR穿越微下冲气流的飞翼布局无人机控制方法王彦雄，祝小平*，周洲，徐明兴，冯引安西北工业大学无人机特种技术重点实验室，西安710072摘要：微下冲气流是最危险的低空风切变形式，为在起降阶段安全穿越该气流，飞翼布局的无人机控制律应具有快速响应能力和良好的鲁棒性。针对大展弦比飞翼布局无人机舵面附加升力大和低速状态俯仰操纵效能低的特点，提

2、出了舵面附加升力和机体气动力相结合的复合控制方案，改进了以输出误差为参考量的非线性指令分配策略，设计了基于迎角保护的指令分配策略。将风干扰和模型的不确定性视为未知扰动，采用自抗扰控制(ADRC)理论设计飞翼布局无人机非线性控制律，使之对风干扰和模型的不确定性进行估计补偿。仿真结果表明，复合控制与ADRC相结合的方法加速了航迹倾角的单位阶跃响应速度，使上升时间缩短了64％，同时能够实现对风干扰的有效观测和补偿，使高度损失低于2m；能够在风切变中有效保护迎角，使其维持在5．5。以内。因此，该方法能够为飞翼布局无人机安全平稳地穿越微下冲气流提供一种参考方案。关键词：风切变；大展弦比；飞翼布

3、局无人机；舵面附加升力；复合控制；白抗扰中图分类号：V249．122文献标识码：A文章编号：i000—6893(2015)05—1673～11飞翼布局因其机翼和机身融为一体的非常规气动布局，拥有气动阻力小、升阻比大、隐身性能好以及机身可利用空间大等特点，现已成为各类先进无人机优先采用的布局形式。但由于飞翼布局无人机纵向尺寸短，使得升降舵操纵力臂短，需要增大升降舵面积来弥补小的力臂，造成飞翼布局无人机的舵面附加升力远大于常规飞机，而俯仰操纵效能依旧较低的缺点。此外，舵面附加升力的方向通常与无人机期望的运动方向相反，特别是在起降阶段，当给出爬升指令时，升降舵会产生负升力使无人机先降后升，

4、从而对无人机造成不利影响。目前，国内外学者围绕飞翼布局飞机展开了大量研究，包括稳定特性[1]、针对飞翼布局冗余操纵面的控制分配方法[2]以及控制律设计[3。41等方面，但针对俯仰操纵效能低及舵面附加升力影响的相关研究还较少。高洁等[5]提出将升降副翼附加升力作为直接升力使用，进行飞翼构型飞机阵风缓解控制，并采用海狸尾俯仰控制面来平衡升降副翼偏转产生的俯仰力矩。该方法具有一定的借鉴意义，但由于未引入舵面控制分配方法，不能同时输出期望的力和力矩，使得海狸尾仅用于平衡俯仰力矩而造成浪费；另外，该方法未能让机体气动力参与控制，由于舵面附加升力有限，在极端情况下容易导致舵面饱和。张利刚和王勇[

5、61提出了基于直接力控制的安全起飞纵向控制方案，通过控制襟翼偏转使无人机对升降速度的变化做出快速响应，是一种应对舵面附加升力影响的有效手段。微下冲气流是最危险的低空风切变形式，当收稿日期：2014-05—14；退修日期：2014-06-03；录用日期：2014—09—11；网络出版时间：2014—09—2414：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000—6893．2014．0256．htmI基金项目：国防预研项目(513250201)*通讯作者．Tel．：029—88451030E-mail：zhouzhou@nwpu．edu．c

6、rl萼

7、用格武iWangYX．ZhuXP．ZhouZ．eta1．AcontrolmethodofflyingwingUAVforpenetrationofmicroburs《Jj．ActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica．2015．36(5)：1673—1683．王彦雄．祝小平．周涌，等．穿越徽下冲气流的飞翼布局无人杌控钢方法￡Jj．航空学报，2015，36(5)：1673—1683．航空学报May252015V01．36No．5无人机在起降阶段遭遇微下冲气流时，将会产生剧烈的高度损失，严重时甚至可能出现坠毁事故。因此，十分有必要对无人机特别是飞翼布局

8、无人机穿越微下冲气流的控制技术进行研究。目前，已有多种应对微下冲气流的研究方案，包括：周娜等[7]、Sandeep和Robert[81基于飞行员经验或在应用模糊逻辑与辨识方法建立微下冲气流模型的基础上，对微下冲气流进行辨识，并采用恒定俯仰姿态改出飞行策略或优化改出飞行策略。但这种方式依赖于对气流的快速识别，且易发生飞翼布局无人机迎角超出俯仰力矩系数拐点的危险。陈勇和金长江[91采用基于非线性动态逆的高度变化率／空速控制模式与高度变化率／地速控制模式相结合的