一种小型无人机滑跑纠偏控制研究

胡天翔

摘 要：该文根据小型无人机的结构特点，对其地面滑跑控制结构和控制律设计进行了研究，提出了前轮及方向舵纠偏控制方案和控制结构，分析了包括前起落架、路面状况、刹车系统、侧风等因素对纠偏控制效果的影响，依据起飞滑跑和着陆滑跑纠偏控制的特点，设计了地面滑跑试验验证方案。

关键词：无人机 滑跑 飞行控制 纠偏

在无人机的滑跑纠偏控制中一般对大型无人机有较深入的研究，但对小型无人机因其起降方式多样，有的采用滑跑方式进行，有的采用喷洒方式进行，没有过多进行系统性研究，在此对这部分空缺的内容进行研讨，以完善相应的技术空白。

1地面滑跑纠偏控制方案及结构

无人机的横侧向运动信息进入前轮转向纠偏控制律和方向舵纠偏控制律，前轮转向控制和方向舵控制同时作用于无人机，通过这两个控制通道控制律的运算产生前轮转向纠偏控制指令和方向舵纠偏控制指令，为保证无人机在滑跑过程中前轮纠偏控制和方向舵纠偏控制的无缝切换，将方向舵纠偏控制律经过分配器与前轮偏转控制律一起产生前轮偏转控制指令，进入前轮转向机构产生偏转力矩控制无人机的侧向运动，使无人机侧偏处于安全的范围内。

侧偏距为主反馈信号，由于前轮转向控制响应比较灵敏，引入侧偏速度和偏航角速度以改善纠偏控制动态性能，这些信号进入前轮转向纠偏控制律，由前轮转向纠偏控制律产生前轮转向纠偏控制指令。另外，侧偏距同时作为主反馈信号与偏航角、偏航角速度一起进入方向舵纠偏控制律，由于方向舵控制响应相对较慢，此处采用偏航角和偏航角速度来改善纠偏控制的动态性能，方向舵纠偏控制律产生方向舵指令进入方向舵回路使方向舵产生偏航力矩进行纠偏。为实现前轮转向控制和方向舵控制之间的平滑过渡，分配器的设计为：将方向舵纠偏控制律的控制参数按一定的传动比生成前轮转向纠偏控制律的控制参数。滑跑纠偏过程中，滚转内回路同时工作，可防止飞机在纠偏运动中由于转弯离心力、侧风等因素导致滚转角过大，使转弯过程中出现侧翻的危险。

地面滑跑阶段，无人机横侧向控制律具体表达式为：

； ；

其中， 为副翼舵偏值；P为滚转角速率； 为滚转角； 为滚转角指令； 和 分别是副翼通道微分项与比例项的控制增益。

为前轮转向舵机偏转角度； 为偏航角速率； 为飞机相对跑道中心线的侧偏距； 为侧偏速率，可用下式求得：

式中， 为地速； 为无人机航向指令； 为无人机的当前地速方向。

为前轮的偏航角速率控制增益； 为前轮的侧偏速率控制增益； 为前轮的侧偏距控制增益。

为方向舵偏角； 为方向舵的偏航角速率控制增益； 为方向舵的偏航角控制增益； 为方向舵的侧偏控制增益。

、 和 均经过限幅后得到 、 、 送给输出回路。

分配器的设计具体如下：

； ；

其中， 为从方向舵到前轮的分配系数。

2地面滑跑调参试验设计

2.1滑跑纠偏控制要求

通过滑跑试验来调试纠偏控制参数，首先需明确纠偏控制要求。无人机在地面滑跑段的控制要求体现在：（1）偏航角速率不能太大，即保证滑跑过程中机体不能出现明显的摆动；（2）无人机相对跑道中心线的侧偏距要保持在容许的范围内，防止滑跑过程中由于跑道路况、侧风干扰等因素使无人机冲出跑道的情况；（3）滑跑过程中无人机机头航向与跑道中心线航向的夹角应在合理的范围内，不应出现大角度纠偏甚至拐弯等危险情况的发生。

2.2纠偏控制影响因素

无人机在滑跑纠偏过程中，影响纠偏控制效果的因素很多，该文提出的控制方案，在试验过程中必须重点考虑四个方面的内容：（1）前轮空回；（2）路面状况；（3）刹车影响；（4）突风影响。前轮空回的大小直接影响控制的精度，前轮空回越小控制效果越好。前轮空回包括前轮转向舵机的空回和传动机构的空回（传动杆间的连接间隙、轮轴与机轮间的固定间隙等），这两种空回在起落架设计时应充分考虑，一般应小于 。

路面状况主要考虑路面坡度和路面凹凸的影响。路面坡度与主起落架两个机轮胎压不一致对控制的影响相同，主要影响滑跑时的侧偏静差，不同的跑道路面坡度不同，即使同一条跑道对无人机来回滑跑时的纠偏影响也不同。因此无人机在滑跑前必须通过无控制自由滑行试验，不断调试前轮的零位，确保前轮零位在合适的范围内，以消除侧偏静差。路面凹凸主要影响滑跑安全，有可能导致前起落架损坏甚至无人机侧翻。

刹车系统虽不进行左右机轮差动纠偏，但由于左右刹车机构不对称性，在滑跑中应急减速时，会造成无人机机头向刹车力矩较大的一侧猛烈摆动，在速度较快时可能使无人机侧翻或冲出跑道。尽管地面滑跑时间很短，期间可能受突风影响使无人机晃动，滑跑轨迹偏离跑道中心线。滑跑纠偏控制应能及时平稳地将无人机控回到安全范围内，而又不至于产生太大的超调。

2.3试验设计

由于无人机在起飞段和着陆段进入滑跑纠偏的初始状态不同，进行控制律调参试验时所考虑的重点也有所不同。

起飞段调参试验初始条件设计为：（1）使无人机停在跑道中心线上，将侧偏距几乎为零；（2）使无人机的机头对准跑道中心线，将机头与跑道中心线的航向偏差几乎为零。在进行起飞段调参试验时，升降舵应产生低头力矩，防止由于滑跑速度过快，无人机意外离地起飞。发送“滑跑”指令后，无人机由静止开始加速滑跑，在达到设定滑行速度后停车。逐步增加设定滑行速度直至离地速度，可完成起飞段的控制律调参。

无人机接地前受侧风的影响，可能存在较大侧偏和航向偏差，因此在设计着陆滑跑纠偏试验时，应在无人机以接地速度滑行的状态下，产生一定的侧偏，验证无人机在快速滑行状态下的就侧偏能力。

3纠偏控制律参数设计

滑跑纠偏控制律参数设计就是确定控制律表达式中各增益的值。

在低速滑跑段，前轮纠偏起主要作用，需要确定 、 和 值。这三个参数的确定过程为：（1）给定 、 和 的参考值；（2） 的确定：无人机在滑跑过程中，可能出现机头摆动的情况，调整 的值，使机头的摆动在合理的范围内；（3） 的确定：无人机在速度较低的情况下，滑跑平稳，但随着滑跑速度的增加，出现机身在跑道中心线两侧晃动的情况，即“画龙”现象，调整 的值，使无人机沿跑道中心线呈直线滑跑；（4） 的确定：在滑跑前，将无人机偏离跑道中线一定距离，观察滑跑过程中的侧偏控制能力。如果参数 过大，虽然纠偏响应速度较快，但容易产生较大的超调；如果参数 过小，则纠偏响应过程较慢，有可能影响起飞安全。因此调整 的值，使无人机在有初始侧偏或航向偏差的情况下能够快速而无超调的进入跑道中心线。

在中速和高速滑跑段，方向舵开始纠偏需要确定 、 、 和 的值。高速段 和 设计与低速段 、 和 的设计类似。 与前轮转向舵机到前轮的传动机构有关，在相同状态前轮转向机构的条件下，是中速段滑跑调参的关键。如低速段控制参数已经确定，中速段滑跑存在机头摆动、“画龙”等控制效果不太理想的情况，可放大或减小高速段相应的控制参数值，而同时减小或放大 的值，来保证低速段纠偏理想效果，同时修正中速段滑跑效果。

4试验分析

将控制律设计方法应用在某型无人机完成了控制律的设计中。经滑跑试验确定的最终控制律参数如表1所示。

表1 滑跑纠偏控制参数

参数

数值 0.32 1.6 1 0.375 5°

第一次试验中，无人机滑跑前初始侧偏为0.2647m，初始航向偏差为2.115°，即无人机对准跑道中心线。无人机起飞滑跑过程中，最大侧偏为-0.5m， 最大偏航角速率为-2.893°/s，最大航向偏差为-1.215°，最大滚转角为-0.8951°，无人机在地速达到28.96m/s时离地起飞，滑跑过程低速段和高速段过渡平稳，满足起飞要求。

第二次试验中，着陆滑跑数据可以看出，无人机接地前初始速度为21.14m/s，初始侧偏为-0.97m，初始航向偏差为-0.23°，滑跑过程中最大侧偏为-1.677m，最大偏航角速率为3.813°/s，最大航向偏差为1.79°，最大滚转角为-0.941°，无人机接地后快速平稳无超调的滑向跑道中心线，停机时距跑道中心线的侧偏距为-0.2648m，且滑跑过程无明显的机头摆动，接地滑跑过程安全，没用应急刹车。

通过滑跑试验调参，设计纠偏控制律参数，实现前轮转向控制和方向舵控制的无缝切换。针对无人机的实际起降滑跑试验分析，验证滑跑纠偏控制方案和结构合理可行，使控制律设计简单有效、控制效果良好、满足小型无人机轮式起降滑跑要求。

5 结语

针对轮式起降方式的无人机，该文提出了前轮和方向舵联合纠偏控制方案和控制结构，特别适用于小型无人机的滑跑纠偏；结合纠偏控制要求，分析影响控制方案纠偏效果的影响因素，这些因素是开展滑跑试验及控制律设计所须考虑的。同时设计了起飞和着陆滑跑试验，并探讨了控制参数的设计方法，避免了常规控制设计需要精确建模所带来的繁琐和局限性。经实际飞行验证，该方法切实可行，可有效提升无人机纠偏控制律的设计效率。

参考文献

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