低可探测性无人机横侧向控制律技术研究

摘 要：近年来，数字化试飞技术的发展不断深入，无人机已经被用在多种机载雷达鉴定试飞中。飞行控制系统是无人机能够安全飞行的基本前提。因此，研究无人机的自主飞行控制技术具有十分重要的现实意义。论文以样例无人机为研究对象，以MATLAB、 Keil 软件为开发工具。分析了无人机飞行阶段控制需求，并在此基础上提出了样例无人机横侧向控制系统的总体设计和验证方案。在MATLAB/SIMULINK环境建立了空中飞行段的非线性模型，并采用小擾动线性化方法的到线性系统状态方程。在等效飞控仿真验证平台上对样例无人机横测向控制律进行了仿真验证。在本文所设计的横侧向控制律具有良好的控制性能，可以满足实际工程需求。

关键词：无人机；线性系统状态；飞行控制；横侧向控制律

1 引言

低可探测性无人机系统是立足于多种雷达传感器的飞行试验需求，通过研究雷达隐身无人机的设计、控制、制造工艺、测试技术，形成小RCS（雷达散射截面）目标试验机样品，用于机载雷达传感器的隐身目标低可探测能力的飞行试验测试、验证与鉴定。本文主要研究无人机自动控制系统，特别是设计无人机横侧向控制系统。

2 研究内容

无人机空中飞行段占无人机整个飞行过程的90%～95%，大部任务都是在这个时间段内完成。空中飞行段要求无人机横侧向姿态稳定并能够按照预定航迹飞行，因此该阶段对横侧向控制系统的要求是稳定无人机横侧向姿态角，随时纠正侧向偏离。根据无人机气动特性，建立六自由度非线性数学模型。对所建立的六自由度非线性模型进行配平和线性化，分析其自然特性。

无人机横侧向运动主要表现为三种运动模态，即荷兰滚模态、快速滚装模态和螺旋模态。横侧向运动与纵向运动的差别之一就是前者绕两根轴的转动，而转动的有关力矩是相互关联的，即滚转角速度引起偏航力矩，偏航角速度引起滚转力矩，侧滑角会引起滚转和偏航力矩。横侧向运动自动控制的目的在于针对不同的运动模态采取不同的措施来保证飞机有良好的性能。主要包括提高螺旋运动稳定性，提高荷兰滚运动阻尼，航向的协调控制实现协调转弯。

3 横侧向控制律总体框架

横侧向系统包括横侧向姿态控制系统和横侧向轨迹控制系统，其中横侧向姿态控制系统的的功能是保证高精度的偏航角和滚转角的稳定和控制，以实现令人满意的转弯飞行；横侧向轨迹控制系统是实现侧向偏离的稳定与控制，以使无人机按照预定航迹飞行。

无人机横侧向存在两个控制舵面：副翼和方向舵，因此横侧向控制系统也是通过这两个舵面实现的，包含有副翼和方向舵两个控制回路。其中，方向舵回路相对简单，主要用于增加系统荷兰滚转运动模态稳定性。副翼回路相对比较复杂，它以滚装控制回路为内回路，以航迹控制回路为外回路。在进行航向控制时，副翼通道起主要作用，方向舵起协调作用。

3.1滚装控制回路

当无人机直线飞行时，滚转控制回路的作用是在外干扰力矩作用下，力图保持无人机滚转角为零。当无人机改变航向或盘旋转弯时，一般也要借助于滚转控制回路，输入给定的控制信号，使无人机滚装，由滚转后所产生的侧力来改变航迹偏转角，以达到改变无人机航向的目的。滚转控制回路一般采用滚转角和滚转速率双反馈结构，其中，滚转角速度反馈用于增加无人机滚转运动阻尼，改善滚转运动动态性能。

3.2航向控制回路

航向控制回路的作用在于对无人机航向的稳定与控制。偏航角的稳定是通过方向舵和副翼共同操作来实现的。根据无人机的横测向运动的特点，通过副翼修正航向而用方向舵消弱荷兰滚阻尼。速度向量和无人机纵轴不重合将产生航向稳定力矩使纵轴转动，从而实现航向控制。

3.3荷兰滚控制回路

荷兰滚控制回路的作用在于增强无人机荷兰滚运动模态稳定性。由于现代无人机荷兰滚阻尼一般较弱，所以一般采用偏航阻尼器以增大航向阻尼，即将偏航角速度反馈到方向舵以建立与偏航角成正比的恢复力矩。

3.4航迹控制回路

航迹控制回路的作用在于对无人机航迹的稳定与控制。航迹控制回路是通过将侧向偏离转换成滚转角指令从而控制无人机按照预定航迹飞行。

4各功能模块方案设计

4.1无人机六自由度非线性建模

4.1.1假设条件

采用欧美坐标体制下的机体坐标系、速度坐标系、地面坐标系可以简单的描述飞机的转动和移动。在下面的假设条件下：

（1） 假设飞机为一个刚体，略去飞机弹性的影响，且质量是常数。

（2） 假设地球为惯性参考系，忽略地球自转与公转的影响。

（3） 忽略地球曲率，把地球看成平面。

（4） 假设重力加速度不随飞行高度而变化。

（5） 假设机体坐标系中的OX轴和OZ轴处于飞机对称平面内，因而惯性积Ixy和Izy等于零。

本项目拟利用小扰动原理对无人机非线性模型进行配平和线性化处理，即各运动状态量在基准运动平衡点取小量微分，将平衡点处的运动方程组按泰勒级数展开并保留一阶小项，即可得到无人机横侧向小扰动线性方程组

4.2横侧向控制律设计

横侧向控制是通过副翼和方向舵进行控制，包括副翼和方向舵两个控制回路，所以横侧向控制是一个多输入多输出系统。方向舵回路相对比较简单，主要用来增加偏航阻尼。副翼回路则对滚转角进行稳定，在外力干扰的作用下，力图保持滚转角为零。

4.2.1 横滚角保持与控制回路

飞机需要做大机动转弯时，需要借助滚转角控制系统，输入给定的控制信号，使飞机倾斜产生倾力来改变航向。滚动通道保持无人机的滚动姿态稳定，由升降副翼舵机系统实现。

4.2.2 航向保持与控制回路

当以目标点位置导向为主时，航向保持功能的实现主要是基于GPS的导航信息，包括空间位置信息和飞机的速度矢量信息。在增加航向控制内回路的阻尼控制，增强对短周期外界扰动的抵抗能力的基础上，按照飞机的GPS当前点坐标和飞行目标点的坐标，计算出飞机正确航向，通过与飞机的速度矢量方向的比较，经过控制计算得出控制量。。

4.2.3协调转弯控制回路

协调转弯，即在固定高度下，实现水平面上的连续转弯而不发生侧滑。协调转弯的执行机构为副翼或者方向舵，具体实现方式包括恒定转弯速率和恒定倾斜角的转弯控制两种。其中恒定倾斜角转弯会形成下螺旋运动，为使垂直方向上受力平衡，需设置油门或俯仰角补偿回路。简化分析，该模态类似于航向控制回路附加俯仰角控制回路的共同作用效果。

5基于Simulink控制率设计及仿真验证

使用simulink进行飞控模块化设计，以下为无人机横侧向设计控制律，利用simulink模块设计可以方便整定控制器参数，同时也可进行数字化仿真。

6 结束语

本文主要对小型无人机典型的飞行状态进行研究，建立了无人机非线性六自由度模型，并采用了Simulink进行了模块化设计， 方便无人机横侧向控制律参数整定。通过数字仿真验证了本次设计的无人机横侧向控制律具有良好的跟踪性能，可以满足实际工程需求。

参考文献：

[1] 胡寿松. 最优控制理论[M ]. 南京： 东南大学出版社， 2005.

[2]范子强. 超激动飞机的非线性飞行控制的研究[M ]. 北京：北京航空航天大学，2008.

作者简介：

王征，男，陕西，本科，中国飞行试验研究院，主要方向为飞行器设计，飞行控制与仿真.