小型無(wú)人機(jī)深失速降落回收的試驗(yàn)研究

陳李萍 殷虹嬌

（航天神舟飛行器有限公司，天津 300457）

小型無(wú)人機(jī)深失速降落回收的試驗(yàn)研究

陳李萍 殷虹嬌

（航天神舟飛行器有限公司，天津 300457）

通過(guò)與傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)回收方式進(jìn)行相比，經(jīng)過(guò)特殊減震設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)可采用深失速降落方式進(jìn)行著陸，能降低無(wú)人機(jī)對(duì)降落場(chǎng)地的要求，無(wú)需撞網(wǎng)回收需末端精確引導(dǎo)輔助降落設(shè)備，同時(shí)也降低了對(duì)飛控及傳感器精度要求，是更加適合小型無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境使用的降落方式，具備一定的工程應(yīng)用前景。

無(wú)人機(jī) 深失速 回收

1 引言

相對(duì)于起飛，無(wú)人機(jī)的回收是一個(gè)更為復(fù)雜、也更容易出現(xiàn)故障的階段，能否安全著陸已經(jīng)成為評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前來(lái)講，無(wú)人機(jī)的回收主要分為撞網(wǎng)回收、輪式滑降、空中勾取回收等。

小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)以電力驅(qū)動(dòng)，起飛重量3KG以內(nèi)，控制半徑在10KM左右，主要用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵查、監(jiān)視、目標(biāo)搜索、打擊毀傷效果評(píng)估等戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，較為典型的小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)有美國(guó)的“渡鴉”和以色列的“云雀”等。小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)大多機(jī)翼載荷較小，采用手拋起飛或彈射起飛，降落一般采用傘降回收或攔阻網(wǎng)回收。傘降回收是一種常用回收方式，無(wú)人機(jī)頂部或腹部有預(yù)留的傘艙，當(dāng)進(jìn)入開傘點(diǎn)時(shí)，飛機(jī)將按照預(yù)定程序或在遙控指令作用下開傘，傘開后無(wú)法再進(jìn)行姿態(tài)控制，隨風(fēng)降落在指定區(qū)域。攔阻網(wǎng)回收是在降落區(qū)域設(shè)置攔阻網(wǎng)，讓無(wú)人機(jī)沿下滑線落入攔阻網(wǎng)中。

傳統(tǒng)的回收方式無(wú)人機(jī)在著陸前都具有較大的相對(duì)速度，需要使用降落傘和攔阻網(wǎng)來(lái)減少無(wú)人機(jī)X和Z方向的速度。但是傘降需要在無(wú)人機(jī)內(nèi)部布置降落傘，增加了開傘機(jī)構(gòu)，且開傘高度較高，著陸點(diǎn)受外界影響較大，定點(diǎn)著陸比較困難。攔阻網(wǎng)回收方式需要在地面回收區(qū)域搭建攔阻網(wǎng)，對(duì)飛控及傳感器的精度要求較高。深失速回收方式則可以讓無(wú)人機(jī)在近地位置快速進(jìn)入深度失速狀態(tài)，減少無(wú)人機(jī)X方向前行速度，不但無(wú)需跑道，回收簡(jiǎn)易，對(duì)下滑的軌跡亦無(wú)嚴(yán)格要求，而且不需要增加復(fù)雜回收設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)快速回收。

由于無(wú)人機(jī)采用深失速回收時(shí)觸地速度較大，目前只適用于自重較輕，能承受較大機(jī)翼過(guò)載的小型無(wú)人機(jī)。在以美軍RQ-11“渡鴉”電動(dòng)無(wú)人機(jī)為對(duì)象進(jìn)行仿真分析，確定了深失速著陸的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)飛行試驗(yàn)證明，合理選擇小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)失速高度和方向舵角度，深失速回收方案是可行的。

通過(guò)與傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)回收方式進(jìn)行相比，經(jīng)過(guò)特殊減震設(shè)計(jì)的小型無(wú)人機(jī)可采用深失速降落方式進(jìn)行回收，能降低無(wú)人機(jī)對(duì)降落場(chǎng)地的要求，無(wú)需撞網(wǎng)回收需末端精確引導(dǎo)輔助降落設(shè)備，同時(shí)也降低了對(duì)飛控及傳感器精度要求，是更加適合小型無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境使用的降落方式，具備一定的工程應(yīng)用前景。

2 深失速回收階段飛控邏輯設(shè)計(jì)

常見的無(wú)人機(jī)的輪式自主著陸過(guò)程一般分為降高段、平飛段和觸地滑跑階段。深失速回收過(guò)程為降高段、平飛段、失速著陸段。正常飛行結(jié)束后，無(wú)人機(jī)降低到一定飛行高度后保持高度平飛，靠導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)或遙控控制到達(dá)著陸點(diǎn)后，關(guān)閉動(dòng)力系統(tǒng)，迅速增大無(wú)人機(jī)俯仰角，讓無(wú)人機(jī)進(jìn)入深度失速狀態(tài)，無(wú)人機(jī)前向速度將迅速減小到零，隨后在重力作用下飛機(jī)姿態(tài)改平，進(jìn)入失速下滑直到著陸。深失速回收過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)深失速著陸回收段剖面分析，確定無(wú)人機(jī)在執(zhí)行完任務(wù)后，進(jìn)入著陸回收階段時(shí)，應(yīng)經(jīng)歷四段飛行著陸邏輯。

首先，在無(wú)人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后，機(jī)載飛控可按照預(yù)設(shè)航線航點(diǎn)自主進(jìn)入返航段。在返航階段應(yīng)保持無(wú)人機(jī)高度不變，根據(jù)采集的GPS數(shù)據(jù)提前調(diào)整無(wú)人機(jī)航向?qū)?zhǔn)到預(yù)著陸點(diǎn)航向，以便在著陸后三個(gè)階段減少飛控調(diào)整PID數(shù)量。

圖1 深失速回收過(guò)程

機(jī)載飛控應(yīng)具備按照起飛前設(shè)定的返航點(diǎn)進(jìn)入著陸階段的能力，這就需要無(wú)人機(jī)在飛行前應(yīng)規(guī)劃好返航點(diǎn)的屬性特征值，飛控在判斷航點(diǎn)數(shù)據(jù)特征值后將觸發(fā)返航機(jī)制。在返航階段無(wú)人機(jī)的飛控自主調(diào)整PID參數(shù)以及相應(yīng)配平無(wú)人機(jī)各舵面，控制油門和無(wú)人機(jī)姿態(tài)，使無(wú)人機(jī)能根據(jù)采集的GPS數(shù)據(jù)按照預(yù)定的航跡和高度飛行。無(wú)人機(jī)在進(jìn)入返航點(diǎn)時(shí)，飛控應(yīng)先調(diào)縱向參數(shù)，使得飛機(jī)在過(guò)彎不掉高，保證飛行安全?？v向控制分為內(nèi)回路姿態(tài)控制和外回路高度控制。姿態(tài)控制主要參數(shù)是俯仰角增益和俯仰角阻尼系數(shù)。外回路則是高度差的比例，積分，微分三個(gè)參數(shù)。轉(zhuǎn)彎過(guò)程中還有一個(gè)就是滾轉(zhuǎn)角到升降舵的一個(gè)補(bǔ)償，這個(gè)是為了消除橫側(cè)向和縱向耦合。

返航階段縱向遇到的最大問(wèn)題就是過(guò)彎的時(shí)候高度保持不住?？v向的調(diào)試主要是幾個(gè)參數(shù)的合理選取，油門在這個(gè)過(guò)程中進(jìn)行配合。內(nèi)回路調(diào)節(jié)主要看俯仰角跟蹤給定俯仰角的快慢與超調(diào)?？梢赃x擇爬升或者下滑來(lái)調(diào)試內(nèi)回路參數(shù)。當(dāng)俯仰角與給定角度相差太大，可以考慮增大俯仰角增益系數(shù)，反之減少；俯仰角若果出現(xiàn)震蕩，增大俯仰阻尼。高度PID參數(shù)調(diào)節(jié)可以看平飛段跟蹤高度情況來(lái)調(diào)節(jié)；高度比例系數(shù)太大高度跟蹤明顯，但是容易導(dǎo)致沉浮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)升降速度太大的時(shí)候，應(yīng)適當(dāng)增加微分系數(shù)，提高高度通道阻尼。

而在返航階段橫側(cè)向主要是飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程難以按照預(yù)定軌跡飛行，應(yīng)根據(jù)無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，在橫滾角限定的范圍內(nèi)，飛控自主優(yōu)化PID參數(shù)，配合縱向控制保持無(wú)人機(jī)返航階段航向?qū)?zhǔn)預(yù)著陸點(diǎn)航向。在降高階段，飛控應(yīng)通過(guò)控制各舵面保持無(wú)人機(jī)的航向，解算降高段的前向距離，調(diào)整無(wú)人機(jī)的俯仰角按照設(shè)定的下滑速率實(shí)現(xiàn)降高。此時(shí)，油門應(yīng)保持在失速油門曲線上方，維持降高段無(wú)人機(jī)的速度不會(huì)大幅提高。在平飛段，無(wú)人機(jī)在保持航向數(shù)據(jù)的同時(shí)，飛控逐漸小幅降低油門，調(diào)整無(wú)人機(jī)始終保持在失速油門曲線附近，同時(shí)維持無(wú)人機(jī)高度在相對(duì)高度5m左右。

進(jìn)入到最后失速著陸階段，飛控應(yīng)判斷前向距離及控制側(cè)偏的正負(fù)值，理論上在到達(dá)預(yù)設(shè)著陸點(diǎn)時(shí)，應(yīng)調(diào)整油門為零位，并給定大俯仰角使無(wú)人機(jī)進(jìn)入失速階段。

3 可使用深失速著陸方式的飛機(jī)特征

使用深失速著陸的飛機(jī)必須具備以下幾個(gè)條件：

（1）機(jī)翼結(jié)構(gòu)必須能承受失速拉起瞬間的過(guò)載，在工程樣機(jī)材質(zhì)上應(yīng)采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料，具備輕量化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度硬等特點(diǎn)。（2）機(jī)腹將作為著陸第一受力點(diǎn)，需要進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，一般可設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度泡沫包裹芳綸纖維材料作為減震墊，具備緩沖及卸載沖擊過(guò)載對(duì)無(wú)人機(jī)的損傷。（3）機(jī)載設(shè)備的安裝需要特殊減震設(shè)計(jì)。

滿足以上三個(gè)要求的小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)才能進(jìn)行深失速著陸方式的嘗試。本文選用的是美軍RQ-11“渡鴉”（RQ-11＂Raven＂）電動(dòng)無(wú)人機(jī)1：1模型，RQ-11是一種手持發(fā)射的輕型偵查用無(wú)人飛行器（UAV），由航空環(huán)境公司（AeroVironment Inc.）為美國(guó)軍方研發(fā)，于2002年時(shí)開始實(shí)際軍事部署，主要用于戰(zhàn)場(chǎng)上的低空偵察、監(jiān)視與目標(biāo)識(shí)別等用途?；緟?shù)為：機(jī)長(zhǎng)0.9米，翼展1.4米，總重2kg，后置式電動(dòng)機(jī)，可受力自分解機(jī)翼部件，全動(dòng)平尾，全機(jī)使用芳綸纖維材料及高強(qiáng)度泡沫。

4 深失速著陸方式回收參數(shù)的選擇

4.1 失速著陸方向舵角度的選擇

在本回收方案中，拉平末端忽略橫側(cè)向的影響，僅考慮靜風(fēng)狀態(tài)的基礎(chǔ)模型。飛機(jī)的升力系數(shù)在小迎角范圍內(nèi)與迎角 ɑ呈線性關(guān)系。在超出失速迎角后，迎角會(huì)自動(dòng)增大，前進(jìn)速度急劇減小，下沉速度急劇增大，阻力系數(shù)隨著迎角的增大也會(huì)迅速增大。深失速階段的迎角主要受升降舵控制，升降舵偏角的大小，直接影響到無(wú)人機(jī)模型失速過(guò)程的快慢和無(wú)人機(jī)落地姿態(tài)。升降舵初始值過(guò)小，將無(wú)法進(jìn)入深度失速狀態(tài)，過(guò)大則使無(wú)人機(jī)尾部觸地。由Matlab仿真結(jié)果可看出，升降舵初始偏角35°時(shí)無(wú)人機(jī)俯仰角最大值可達(dá)到45°，且無(wú)人機(jī)在俯仰角到45°時(shí)低頭飄落響應(yīng)最快，綜合考慮確定升降舵初始偏角為35°，我們所使用的是RQ-11“渡鴉”電動(dòng)無(wú)人機(jī)模型，所以只需要在深失速初期控制該機(jī)全動(dòng)平尾拉起35°，就可以實(shí)現(xiàn)既能進(jìn)入深失速，又能以最快速度從深失速狀態(tài)改出進(jìn)行平飄。

4.2 失速著陸高度的選擇

高度的選擇需要考慮兩個(gè)方面：飛機(jī)從失速姿態(tài)改出為平飛所用時(shí)間T1和飛機(jī)改平后在重力和機(jī)翼升力作用下落地時(shí)間T2。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)飛機(jī)應(yīng)為逆風(fēng)著陸，T1和T2均會(huì)有不同程度增加，所以在計(jì)算時(shí)不用再增加高度方向的裕度。在Matlab仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上多次試驗(yàn)調(diào)整得到模型最佳深失速啟動(dòng)高度5米。

5 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)論

控制無(wú)人機(jī)進(jìn)入著陸平飛階段，飛行高度5米，到達(dá)著陸點(diǎn)后，發(fā)出遙控停車指令，然后向無(wú)人機(jī)發(fā)出全動(dòng)平尾拉起35°指令，此時(shí)無(wú)人機(jī)迎角快速增加，高度也隨之增大，前向速度迅速減小為零，高度增加到一定值時(shí)飛機(jī)改平，靠重力著陸，觸地后無(wú)人機(jī)可自分解部件全部散開。

從試驗(yàn)過(guò)程可以看出：無(wú)人機(jī)失速飄落的高度為5m，失速開始時(shí)高度會(huì)有所增加，因此深失速啟動(dòng)高度選擇比較重要，過(guò)低拉平時(shí)間不夠，容易出現(xiàn)異常姿態(tài)觸地，造成機(jī)體受損。而啟動(dòng)高度過(guò)高導(dǎo)致飄落高度較大，無(wú)人機(jī)觸地速度增加，如出現(xiàn)干擾容易造異常姿態(tài)觸地，會(huì)造成無(wú)人機(jī)摔壞。本文所使用的模型在5米高度啟動(dòng)遙控深失速，成功完成了飛機(jī)改平動(dòng)作，落地速度在機(jī)體強(qiáng)度承受范圍內(nèi)。如果使用導(dǎo)航模塊自主進(jìn)行深失速著陸，因?yàn)閷?dǎo)航精度誤差的原因，為防止飛機(jī)在深失速動(dòng)作完成前著陸，造成機(jī)體損傷，著陸高度還應(yīng)該適當(dāng)提高。就小型無(wú)人機(jī)合理的失速高度考慮導(dǎo)航及傳感器精度，應(yīng)為10～15米左右。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)小型無(wú)人機(jī)，討論了深失速回收方案應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)的可行性。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，深失速回收可以迅速減小無(wú)人機(jī)前向速度，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)得平穩(wěn)飄落著陸。因此對(duì)于小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)深失速回收方案簡(jiǎn)單易行，具備一定的工程應(yīng)用前景。

［1］王永壽.日本對(duì)無(wú)人機(jī)起飛著陸技術(shù)的研究［J］.飛航導(dǎo)彈，2005 （3）：45-49.

［2］徐永旺.無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)及控制方法研究［D］.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［3］隋丹.飛機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2003.

陳李萍（1982—），男，本科，現(xiàn)為航天神舟飛行器有限公司飛行試驗(yàn)部部長(zhǎng)，飛行控制工程師，研究方向：無(wú)人機(jī)。