王征利 李 杰

中國人民解放軍32033部隊(duì) 海南 ?？?70100

大荷載無人機(jī)在運(yùn)輸、續(xù)航、執(zhí)行任務(wù)等方面有顯著優(yōu)勢,在實(shí)踐中的優(yōu)勢日益凸顯。為了提高載荷能力和留空能力,大荷載無人機(jī)通常使用大翼展、大升力翼型和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等,從而提高自身的升阻比,減少油耗,提高續(xù)航能力。但低速特性和大升阻比造成大荷載無人機(jī)在著陸過程中安全裕度比較小,加之其控制策略一般是使用升降舵控制其相對高度和待飛距,這造成大荷載無人機(jī)在著陸過程中抗風(fēng)干擾能力較差、安全性不高,難以適應(yīng)多種工況的要求。所以,探討大載荷無人機(jī)安全著陸縱向控制策略設(shè)計(jì)有重要意義,有助于提高其著陸安全性。本研究選擇某大載荷無人機(jī)為研究對象,分析其在傳統(tǒng)控制策略下安全性不高的原因,設(shè)計(jì)了安全系數(shù)較高的著陸縱向控制策略,對其有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 問題論述和機(jī)理分析

1.1 著陸過程 無人機(jī)按照跟蹤著陸軌跡完成不同著陸階段的過渡,如圖1所示,在整個(gè)著陸工程中,主要由進(jìn)場平飛段、陡下滑段、軌跡捕獲段、地面滑跑段及末端拉起段等組成,其中軌跡參數(shù)如表2所示。

圖1 無人機(jī)著陸過程

表2著陸軌跡線參數(shù)

在著陸初期,無人機(jī)首先要放下襟翼、起落架等裝置,滑入進(jìn)場平飛段,按照著陸架構(gòu)型調(diào)整其控制策略,讓無人機(jī)對平飛軌跡線進(jìn)行追蹤,并讓其在平穩(wěn)狀態(tài)下進(jìn)入下滑階段。在無人機(jī)與下滑線和平飛線的交點(diǎn)接近時(shí),要從原來的平飛模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄禄B(tài)。陡下滑段中,無人機(jī)結(jié)合預(yù)設(shè)的下滑軌跡線對其誤差進(jìn)行調(diào)整,并適當(dāng)下降飛行高度。在無人機(jī)到拉飄高度時(shí),要適當(dāng)調(diào)整其飛行速度和下沉率,保證無人機(jī)的安全著陸。地面滑跑段指的是無人機(jī)觸地后直至停止的階段。在無人機(jī)降落的操作過程中,要慢要穩(wěn),這是因?yàn)闊o人機(jī)在距離地面30公分時(shí)會(huì)出現(xiàn)地面效應(yīng),要等到懸停平穩(wěn)后在收緊油門,操作要盡量柔和。在落地后,要確保油門收底5s,在電機(jī)自動(dòng)加鎖后松桿,在加鎖時(shí)要防止手動(dòng)掰桿加鎖。一方面,手動(dòng)掰桿加鎖操作復(fù)雜,另一方面手動(dòng)掰桿加鎖造成電機(jī)馬上停止,若養(yǎng)成了手動(dòng)掰桿加鎖的習(xí)慣,則可能會(huì)造成無人機(jī)“炸機(jī)”的情況,從而讓無人機(jī)降落時(shí)更加安全。因此,在無人機(jī)降落過程中,應(yīng)先把無人機(jī)穩(wěn)定在上方3-5米處懸停,把飛行模式調(diào)整至GPS模式,然后對無人機(jī)執(zhí)行自主一鍵降落。

1.2 問題描述與機(jī)理分析

1.2.1 傳統(tǒng)著陸縱向控制策略 在大荷載無人機(jī)的傳統(tǒng)控制策略中,制導(dǎo)是通過升降舵追蹤軌跡高度指令的估計(jì)控制,而由待飛距和軌跡線傾角計(jì)算其高度,其中待飛距指的是無人機(jī)按照獲得位置信息帶入著陸航段解得到和目標(biāo)著陸點(diǎn)的飛行距離。淺下滑段的高度指令如圖3所示。其中軌跡控制回路應(yīng)用PI結(jié)構(gòu)來確保著陸精度,而PD 結(jié)構(gòu)是姿態(tài)控制,在淺下滑段要借助俯仰角的更改來改變無人機(jī)姿態(tài)。

圖3 傳統(tǒng)著陸縱向控制策略結(jié)構(gòu)

1.2.2 傳統(tǒng)控制策略下的著陸仿真結(jié)果 傳統(tǒng)策略下,無人機(jī)在淺下滑段-5 m/s陣風(fēng)擾動(dòng)下的飛行過程如圖3所示。614.3s時(shí)無人機(jī)進(jìn)入陣風(fēng)區(qū)域,速度增加的同時(shí)升力增加,快速飄高。623.1s時(shí)陣風(fēng)停止,開始快速掉高。但這時(shí)無人機(jī)的迎角并無增大,提高升力,并在軌跡控制回路的影響下減小迎角追蹤軌跡線,造成俯仰角不斷減小,下沉率增加,增加了掉高過程。在623s時(shí),這時(shí)無人機(jī)的下沉速率為-2.4 m/s,俯仰角為-0.5°,這是安全裕度變小,但無人機(jī)處于軌跡上方,其軌跡控制回路的輸出不斷減小。無人機(jī)在625s比軌跡線要低,這時(shí)無人機(jī)在軌跡控制的作用下增加迎角,但這時(shí)的下沉率較大、地面較近,僅憑借升降舵很難提高其升力,難以成功著陸,最后在0.1°俯仰角和-2.6 m/s的下沉速率觸地(圖4所示)。

圖4 無人機(jī)著陸全過程

根據(jù)仿真結(jié)果得出:常規(guī)控制策略下無人機(jī)在淺下滑段抗風(fēng)干擾的能力不強(qiáng),為了提高無人機(jī)的著陸安全性,應(yīng)在原方案不足的分析基礎(chǔ)上予以改進(jìn)。

1.2.3 常規(guī)高度制導(dǎo)策略的不足 由待飛距解算高度指令時(shí)的飛行示意圖如圖5所示。假設(shè)A 點(diǎn)是無人機(jī)初始的飛行點(diǎn),B點(diǎn)是下一時(shí)刻軌跡的期望位置。無人機(jī)處于A點(diǎn)時(shí),因受到風(fēng)擾動(dòng)的干擾,航跡傾角會(huì)變大,至于下個(gè)時(shí)刻會(huì)飛行到C點(diǎn),這時(shí)無人機(jī)位于軌跡線上方,則要借助軌跡控制減小迎角,對軌跡線進(jìn)行追蹤,提高著陸精準(zhǔn)度。在相關(guān)干擾因素下,無人機(jī)要減少自身的舵面,升高迎角,確保觸底下沉率的著陸安全性。但受到高度指導(dǎo)策略的影響,首先增加舵面,縮小迎角,在提高著陸精度的過程中,忽略了其著陸的安全性,最后無人機(jī)觸地時(shí)的下沉率比較高。只有無人機(jī)在軌跡下方,軌跡控制和姿態(tài)間有共同的迎角需求時(shí),才能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角安全性的最大化,所以,在這種由待飛距離計(jì)算下的高度,其制導(dǎo)策略在抗風(fēng)干擾時(shí)的著陸安全性并不高。

圖5 待飛距解算高度指令飛行

2 安全著陸縱向控制策略

2.1 控制方案設(shè)計(jì) 無人機(jī)在陣風(fēng)干擾的影響下,為了讓其安全著陸,首先應(yīng)修改其淺下滑段的制導(dǎo)策略。因?yàn)橛纱w距設(shè)計(jì)軌跡控制指令存在安全性較低的問題,這主要是因?yàn)榘衍壽E指令轉(zhuǎn)換為相對高度的計(jì)算,并在受到干擾后實(shí)現(xiàn)觸地安全,使用追蹤下沉率指令的軌跡控制策略。因?yàn)檫@時(shí)的軌跡指令主要是按照相對高度變化的下沉率計(jì)算,讓無人機(jī)受到風(fēng)的影響而不能根據(jù)原計(jì)劃著陸,主要是按照離地面的相對高度重新生成著陸軌跡指令,從而保證其觸地安全,如圖6所示。

圖6 基于下沉指令的著陸過程

根據(jù)圖6得知:無人機(jī)根據(jù)初始的淺下滑軌跡飛行到A點(diǎn),受到風(fēng)的干擾后飄高至B點(diǎn),這時(shí)無人機(jī)并不會(huì)對初始目標(biāo)軌跡線進(jìn)行追蹤,而是和地面的相對高度生成修正軌跡線,所以無人機(jī)能對下沉率指令予以追蹤,最大限度保證著陸安全。但是,單獨(dú)改進(jìn)制導(dǎo)策略尚不能確保著陸的安全性,應(yīng)受風(fēng)干擾掉高后,對其下沉趨勢進(jìn)行抑制。伴隨無人機(jī)自身結(jié)構(gòu)的改進(jìn),大荷載無人機(jī)一般會(huì)在普通執(zhí)行的前提下改裝傳統(tǒng)副翼,從而彌補(bǔ)其不足。通過協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)升降舵、移動(dòng)運(yùn)動(dòng)操縱結(jié)構(gòu),以此改善無人機(jī)航跡控制的混合控制。值得注意的是,單獨(dú)使用襟副翼控制軌跡會(huì)對無人機(jī)著陸的升阻特性造成破壞,且會(huì)干擾其速度通道。在無擾動(dòng)著陸飛行過程中,通過襟副翼控制軌跡,會(huì)直接影響其精度。

2.2 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在早期的研究中,氫燃料電池并不被看好,研究中也出現(xiàn)過穩(wěn)定性差,易燃易爆等問題。

但經(jīng)過多年的研發(fā),已經(jīng)有了完整的安全解決方案,并且氫氣很輕,逃逸速度極快,在非密閉空間內(nèi),就算產(chǎn)生明火也不會(huì)引起爆炸,而且與汽油等不同,氫氣燃燒是向上的,沒有橫向延展的危險(xiǎn)。在無機(jī)人的安全著陸控制結(jié)構(gòu)中,把升降舵通道的高度控制回路轉(zhuǎn)為下沉率的控制。在這個(gè)前提下,通過對襟副翼進(jìn)行監(jiān)測保護(hù),能借助襟副翼向其提供升力,從而最大限度提高觸地下沉率的安全性。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì) 首先要設(shè)置下沉率的指令參數(shù),為了確保無人機(jī)的安全觸地,通過把觸地目標(biāo)下沉速率設(shè)定為-0.5 m/s。因?yàn)闊o人機(jī)在陡下滑過程中的俯仰角是-1.5 °,觸地俯仰角目標(biāo)值是2.5 °,俯仰角指令上升時(shí)間是1.5 s。所以,在淺下滑過程中設(shè)計(jì)的時(shí)間為10s,確保其有充足的時(shí)間拉起姿態(tài)。盡管襟副翼下沉率指令的響應(yīng)速度較快,但這會(huì)對速度通道產(chǎn)生了不同程度的干擾,造成無人機(jī)在襟副翼軌跡增加后,速度響應(yīng)升高。從增大的作用時(shí)間上看,襟副翼在速度通道中的干擾較小,同時(shí)也不會(huì)讓速度通道發(fā)散。所以,在無人機(jī)出現(xiàn)風(fēng)干擾時(shí),能借助襟副翼和升降舵的混合控制,從而保證其安全著陸。

綜上所述,本文應(yīng)用制導(dǎo)策略改進(jìn)為以相對高度為基礎(chǔ)的下沉率控制,設(shè)計(jì)出升降舵和襟副翼,同時(shí)對無人機(jī)航跡控制制定了混合控制策略。結(jié)果證明了安全著陸控制策略的高效性,能在提高其著陸精準(zhǔn)度的同時(shí),提高無人機(jī)的抗風(fēng)著陸性能,從而讓無人機(jī)更好地適應(yīng)不同的環(huán)境。