基于参考轨迹的无人机自主着陆控制系统设计与仿真

朱飞翔，高 永，孟 浩

（海军航空大学，山东烟台264001）

基于参考轨迹的无人机自主着陆控制系统设计与仿真

朱飞翔，高 永，孟 浩

（海军航空大学，山东烟台264001）

针对无人机以不同载荷自主着陆时，固定的纵向参考轨迹线不能满足着陆速度及其他着陆参数对轨迹的要求的问题，文章根据无人机不同的飞行性能和着陆性能要求，设计纵向着陆轨迹，结合着陆过程的控制逻辑，设计控制律。并通过Matlab/Simulink建立无人机的自主着陆阶段的仿真模型，验证了设计的着陆轨迹和着陆控制律满足着陆性能要求。

无人机；自主着陆；轨迹设计

无人机的飞行安全主要针对起降阶段的飞行，特别是着陆阶段，无人机需要以较低的空速，在较低的高度，以精确的轨迹和姿态，在预定的着陆点实现平稳着陆。在整个过程中，无人机的所有状态都必须保持精确，特别是着陆过程的末端。为了保证无人机的安全着陆，通常需要控制无人机按照一个设计好的最优着陆轨迹进行飞行，无人机根据导航信息，在飞行控制系统的控制下，按照参考轨迹进行飞行[1-3]。因此，要实现无人机的自主安全着陆，首先，需要设计一条最优的参考轨迹。由于无人机每次着陆时所携带的任务载荷和燃油不同，无人机的着陆重量也不同。为保证着陆时不出现失速，要求其以不同的速度进行着陆，着陆速度不同，对应的着陆轨迹就会发生变化，特别是在滚转拉平阶段，因而需要根据不同的着陆速度设计不同的纵向着陆轨迹线。其次，着陆轨迹还与无人机的飞行特性、飞行环境、着陆指标参数有关，需要综合考虑无人机的失速速度、升降速度、进场着陆高度、进场点与着陆点的水平距离等各项因素[4-5]。其设计过程是一个逆向的过程，需要根据直线下滑引导段、下滑轨迹角和下滑速度及末端拉起段的拉起高度、接地迎角、接地姿态角、接地速度、接地垂直速度的要求和限定等参数进行设计。因此，无人机自主着陆控制过程，首先需要在考虑以上因素的前提下逆向设计一条理想参考轨迹。

无人机自主安全着陆，除了要设计参考轨迹，还需要保证无人机能够严格按照参考轨迹飞行，即要设计无人机着陆阶段的纵向和横侧向的轨迹控制和姿态控制。根据着陆的不同阶段，采取合理的控制策略和控制律[6-8]。

1 无人机着陆过程图像

无人机的着陆过程包括进场飞行、直线下滑、拉平飘落、地面滑跑4个阶段，如图1所示。

整个过程的控制目的是为主轮触地瞬间创造合适的飞机姿态及下沉率条件。其中：H1是下滑决策高度，H2是拉平决策高度，θ2是下滑角，θ1是拉平角。

1）进场阶段。当无人机收到着陆指令或是飞临机场到达预定航线时，节风门收回到指定位置处，纵向改用最佳下降控制，使得无人机逐渐降低高度，达到进场高度，无人机下降到进场高度后，纵向改用高度保持和自动油门控制使得无人机等速平飞，侧向控制无人机沿进场航线切入五边航线，并采用侧向偏离控制修正航向以对准着陆跑道中心线。

2）直线下滑段。无人机直线下滑过程中，主要是在纵向跟踪下滑轨迹曲线，使无人机按照一定的轨迹角下滑。在该阶段，纵向采用高度跟踪控制。高度跟踪控制时要不断修正高度和速度误差，尽量减小跟踪误差。因此，在该阶段的高度控制回路中需要引入高度的变化率反馈。直线下滑的横侧向采用航迹控制，通过航迹误差和航向偏差，不断调整无人机的航向角和滚转角，以修正侧滑或侧风干扰引起的偏差，从而使无人机横侧向轨迹对准跑道中心线。

3）拉平飘落段。当无人机下滑的高度达到拉平高度后，进入拉平阶段，控制系统通过升降速度控制俯仰角，使迎角增大，无人机抬头，进而减小无人机的升降速度，使得着陆轨迹逐渐被拉平，其目的是使无人机的触地速度，姿态角均处于安全着陆范围内。在拉平阶段，纵向采用升降速度控制，横侧向采用侧向偏离控制，使无人机始终对准跑道中心线。拉平阶段结束后，无人机理想的距离地面高度约为0.5～1.5 m，此时进入飘落阶段，飞机飘落着陆时需要满足3个条件：①飞机着陆瞬间的垂直速度不能大于0.5 m/s；②飞机着陆瞬间的俯仰角3°～6°；③飞机着陆速度由飞机着陆时重量决定。通过进一步减小迎角，使无人机的重力大于升力，无人机起落架主轮接触地面、继而前轮着地完成飘落阶段。

4）地面滑行段。起落架全压缩信号出现或收到接地指令后进入着陆滑跑段。节风门自动收到0，飞机减速滑行，滑行过程飞机自动纠偏。

2 纵向着陆轨迹设计

无人机着陆轨迹的设计是一个逆向设计过程，其设计过程是将着陆轨迹分成下滑段和拉平段2个部分进行设计。首先，需要设计拉平段的轨迹，主要是根据飞机的着陆重量确定触地时的速度、接地姿态角、接地垂直速度，进而计算无人机着陆时的轨迹倾角，根据末端拉平段的飞行距离，确定拉平高度。其次，在拉平段设计的基础上，设计下滑段轨迹，主要是根据下滑轨迹角、下滑速度、升降速度的要求，确定下滑轨迹角和下滑速度，进而根据下滑飞行距离，确定下滑决策高度，进而确定下滑决策点距离着陆点距离。无人机纵向着陆轨迹如图1所示[9-11]。

无人机末端拉平轨迹设计有很多方法，比较常用的方法就是借用有人机的拉平方法——指数拉平轨迹。拉平轨迹的设计思想是，使飞机的垂直速度随着高度的下降而相应减少，使飞机每个瞬间的下降速度和它的当前高度成比例，主要采用升降速度控制。在理想情况下，下降时当速度为0时，高度也恰好为0。即满足下列齐次微分方程：

式（1）中：H2为初始拉平高度；τ为指数拉平曲线的时间常数。

假定无人机拉平过程中的速度为常数，则无人机拉平段所经历的距离为：

式（3）表明，拉平终止所经历的路程L→∞，这显然是不允许的。为此，应使跑道平面高出拉平轨迹渐近线hjd距离，此时：

已知̇jd及时间常数τ后，即可决定hjd值。因此，在设计拉平轨迹时，首先根据无人机着陆重量，确定着地速度hjd，进而确定̇jd，由拉平距离L1+L2和拉平轨迹角，就可以得到拉平决策高度。

在设计直线下滑段，选取多大下滑轨迹角是关键，将影响能否通过姿态控制和高度控制来保持下滑速度。下滑速度是根据末端拉平过程中变化的速度加上无人机要求的着地速度。

根据下滑角、拉平角、下滑高度和拉平决策高度，结合图1所示的着陆图像，由下列公式就可以计算得到下滑距离和拉平距离：

根据上述拉平段和下滑段的轨迹设计，就可以设计下滑轨迹：

3 无人机着陆段控制策略

在下滑段，纵向控制飞机跟踪下滑线，达到拉平高度后，控制飞机按指数规律曲线拉平，使飞机触地瞬间的下沉率达到要求，并具有合适的俯仰角[12-13]。在高度保持控制的基础上引入微分项，下滑高度控制原理见图2。拉平段则采用升降速度控制，升降速度控制原理见图3。

着陆时，横侧向主要控制飞机相对跑道的侧偏距及偏航角，使飞机地速处于通过跑道中轴线的垂直平面内，并且使航向与跑道轴线方向一致。在跑道上空小的高度起，需要将滚转角改平，以免接地时机翼触地。侧偏距由副翼通道进行控制，而航向角由方向舵通道进行控制。着陆横侧向外回路控制结构见图4。

4 自主着陆仿真与分析

基于Matlab/Simulink的无人机自主着陆仿真系统见图5。

某型无人机的着陆过程的飞行阶段主要分为下滑段、滚转改平和飘落3个主要阶段。其中，下滑段分为下滑1段和下滑2段。在下滑1段，飞机从200 m跟踪2.5°下滑线下滑，到50 m高度结束。该阶段纵向控制飞机跟踪下滑线，横侧向消除飞机相对机场轴线的侧偏距，在有侧风的情况下，飞机无侧滑角。节风门空速闭环控制，限幅12.5%～100%。下滑2段从50 m高度开始至拉平高度17 m结束。该阶段纵向继续控制飞机跟踪下滑线，以定直侧滑的方式下滑，控制机头方向对准跑道。

拉平段接地段为飞机从17 m到滚转改平高度1.5 m，主要使飞机的下降速度逐渐减小，横侧向的控制方式与下滑2段相同，节风门最小限幅为3%。该型无人机触地瞬间的理想的触地飞机姿态为：零滚转角、零偏航角（相对跑道中心线）、俯仰角4°～6°、下沉率0～0.5 m/s。

根据该型无人机的着陆性能要求，结合上述着舰轨迹设计方法，可以得到轨迹：

通过建立无人机的运动学模型，结合设计的参考轨迹和控制律，就可建立基于Matlab/Simulink的无人机自主着陆仿真系统[14-18]，得到如图6～9所示的仿真图。由仿真图可知，无人机在飞行控制逻辑和控制律的控制下，可以跟踪设计的自主着陆轨迹线，无人机下降到1.5 m时，无人机速度减小到着陆速度20 m/s，升降速度0.4 m/s，俯仰角6°，各项指标满足着陆性能要求。

5 结论

本文通过无人机自主着陆过程的技术图像，分析下滑阶段的轨迹特点和控制逻辑，通过分别设计下滑段和拉平飘落段的参考轨迹，使其能够满足无人机安全着陆的指标和要求。通过不同着陆阶段的控制逻辑，设计无人机横向和纵向的控制律，确保无人机按照参考轨迹着陆。最后，通过建立无人机自主着陆仿真系统，结合某型无人机的着陆性能指标，仿真验证了所设计的纵向轨迹和控制系统的有效性。

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Design and Simulation of UAV Autonomous Landing Control System Based on Reference Trace

ZHU Feixiang,GAO Yong,MENG Hao
（Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China）

According to the problem that the single reference trajectory line of longitude autonomous landing cannot meet the requirements of UAV with different landing speed and flight performance requirement,when the UAV auto-landing with different load.Based on the different flight performance and landing performance requirements of UAVs,the longitudinal landing trajectory and the control logic of landing process were designed,and the simulation model of the UAV’s autonomous landing process was established based on Matlab/Simulink.Landing trajectory and control law met the landing performance requirements.

UAV;autonomous landing;trajectory design

V279；V249.122+5

A

1673-1522（2017）05-0463-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.05.009

2017-02-16；

2017-07-22

“泰山学者”建设工程专项基金资助项目

朱飞翔（1985-），男，讲师，博士。