无人直升机自主飞行控制仿真研究

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1、科技论坛：www.tech-domain.com第1/6页无人直升机自主飞行控制仿真研究ResearchonSimulationofAutonomousFlightControlSystemforanUnmannedHelicopter(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)牛新元王道波摘要：仿真在无人直升机自主飞行控制系统研发中具有十分重要的作用。以国内较早实现自主飞行的某型无人直升机为背景，详细论述了其自主飞行控制仿真的一些关键技术。试飞表明，该仿真起到了很好的参考作用。关键词：无人直升机；自主飞行；飞行控制；仿真Abstract：Th

2、esimulationisveryimportantinthedevelopmentoftheautonomousflightcontrolsystemforanunmannedhelicopter.Basedontheautonomousflightprojectfortheunmannedhelicopter,whichistheearlysuccessfuloneinChina,thekeytechnologiesinitsautonomousflightcontrolsimulationarediscussed.Theflighttestspr

3、ovethatitprovidesanimportantreference.Keywords：unmannedhelicopter；autonomousflight；flightcontrolsimulation无人驾驶直升机(以下称无人直升机)是指由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降(VTOL)不载人飞行器，在构造形式上属于旋翼飞行器，在功能上属于垂直起降飞行器。其自主飞行能力正日益受到各国重视。所谓自主飞行，是指无人直升机在其飞行过程中没有人为直接的控制决策，由无人直升机本身的控制系统和导航系统稳定地控制直升机并引导直升机沿一定航线从

4、一处飞到另一处。本研究以MATLAB软件包为工具，构筑了无人直升机自主飞行数字仿真平台，并针对试飞要求进行了充分的半实物仿真。1无人直升机自主飞行数字仿真1．1数学模型无人直升机的运动具有明显的非线性特性，在过渡飞行状态和阵风干扰下，还具有非定常特性。因此，建立十分精确的描述无人直升机非线性飞行特性的数学模31科技论坛：www.tech-domain.com第2/6页型是很困难的。所以，仿真中一般采用某一前飞速度下的线性小扰动方程：X&=AX+BUY=CX+DU式中；X=[uvwθγψqpr]，u、v、w分别是机体轴系上的纵向、侧向、升降的速度增量（单

5、位：m/s）；p、q、r分别是机体轴系上的横滚、俯仰、航向转动角速度增量（单位：rad/s）；γ为机体的滚转角增量；ψ为机体的航向角增量；θ指机体的俯仰角增量（这3个量的单位是rad）。控制向量U表示相对平衡位置的控制增量。在本模型中，U＝[δeδaδpδc]，δa是横向周期变距，δc是总距，δe是纵向周期总距，δp是尾桨桨距。这4个量的单位是rad。C是单位阵，D=0。1．2侧向修正仿真无人直升机侧向偏离控制一般有两种方案：一种是侧偏距修正构成外回路，侧偏率构成内回路，起阻尼作用。另一种是靠桨盘侧倾产生滚转来修正侧偏距离，同时尾桨距变化控制转弯，该方

6、案靠协调转弯来修正侧偏距，修正过程比较快。利用侧偏距和侧偏率修正侧偏的Simulink仿真系统原理框图如图1所示。图中PLat，PTail分别是送给横向舵机和尾桨舵机的横向周期变距控制量和尾桨距控制量。ψ是平衡态时的航向角。ψ是航向给定值，当开关K的输入小于门限时，开0g关闭合。1．3协调转弯仿真系统协调转弯Simulink原理框图如图2所示。航向通道采用变增益PID控制方法，当需要改变航向时，航向指令（ψg－ψ）缓慢地产生一滚转角指令，直升机作滚转机动以改变航向。当航向ψ接近ψg时，开关J闭合。K(t)为增益值，5s内增益由0增加到1。这样当J闭合后

7、，ψg－ψ信号能缓慢地增加，而不是阶跃性输入，当接近航向时，滚转角逐渐恢复到平衡位置，从而避免产生较大的侧滑现象。将航向角速率和滚转角的1.4倍的差乘上一个系数Kγψ2后引入尾桨通道，保证飞机的协调转弯。图3是u=75km/h时的MATLAB仿真航迹图。航向给定量是180°，出发点是（0，0），20s后加航向信号。32科技论坛：www.tech-domain.com第3/6页3.333.337..7..-55757-55757-1uvw机机升直发动模型模型无人型型总距操纵杆模模限幅模型模型机nia舵机舵机舵机舵pM纵向横向尾桨总距gln理图notiai

8、a原a限幅pLpLpTpM正修限幅2Kh积分侧向1图侧向修正仿真系统原理框图1图积分1KhK和