基于多重遞階結(jié)構(gòu)的無人直升機(jī)航線控制

戴勇

（南京模擬技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210016）

1 引言

無人直升機(jī)是一種可人工遠(yuǎn)程操縱，進(jìn)行超視距飛行的非載人飛行器，能夠執(zhí)行電力巡線、測量測繪、偵查打擊等多種任務(wù)，在民用及軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。當(dāng)前，世界各國爭相發(fā)展無人機(jī)技術(shù)，代表型號有美國的火力偵察兵、奧地利的S-100 等[2]。這些無人直升機(jī)能夠按預(yù)設(shè)航線飛行，在無人操作的情況下完成惡劣環(huán)境（尤其是強(qiáng)風(fēng)、高溫等環(huán)境）的飛行任務(wù)。

航線飛行是無人直升機(jī)完成任務(wù)不可或缺的關(guān)鍵功能。傳統(tǒng)無人直升機(jī)的航線控制采用了航跡角控制器和航線側(cè)偏距控制器的并聯(lián)設(shè)計(jì)方法，該方法在特定情況下容易產(chǎn)生航線側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)偏差問題。針對傳統(tǒng)方法存在的問題，根據(jù)大系統(tǒng)理論多重遞階控制思想

圖1：側(cè)偏距控制結(jié)構(gòu)圖

[3]，本文提出了基于多重遞階控制結(jié)構(gòu)的航線側(cè)偏距控制方法。該方法將航線飛行控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)回路，外回路通過控制解算將航線側(cè)偏距信息轉(zhuǎn)化為期望的航跡角指令，中回路將航跡角指令轉(zhuǎn)化為期望的滾轉(zhuǎn)角指令，內(nèi)回路實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角指令的跟隨控制，從原理上解決了傳統(tǒng)方法的側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)偏差問題。在半物理仿真系統(tǒng)中，將兩種方法進(jìn)行了對比仿真，結(jié)果表明，本方法有效改善了無人直升機(jī)的航線飛行性能，航線飛行側(cè)偏距控制效果良好。

圖2：基于多重遞階結(jié)構(gòu)的無人直升機(jī)航線控制原理

2 航線控制并聯(lián)設(shè)計(jì)存在的問題

傳統(tǒng)的航線飛行控制算法，主要由航跡通道及橫向通道的操縱實(shí)現(xiàn)[4]。現(xiàn)主流控制算法采用并聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，側(cè)偏距主要以尾槳距起阻尼和協(xié)調(diào)作用，以滾轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行航跡控制[5]。

航線控制并聯(lián)設(shè)計(jì)算法如下：

式中，δa表示橫向周期變距，p 表示滾轉(zhuǎn)角速度，γ 表示滾轉(zhuǎn)角， γc表示滾轉(zhuǎn)角指令，ΔZ 表示側(cè)偏距，Δψ 表示航跡角偏差，f(.)、g(.)分別表示側(cè)偏距控制律和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制律。

該算法利用了航跡角對無人直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)通道交叉補(bǔ)償，其控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，該控制結(jié)構(gòu)采用雙控制器并聯(lián)控制的方式完成飛行航線側(cè)偏距的實(shí)時(shí)修正，其核心思想在于：協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制器與側(cè)偏距控制器合成滾轉(zhuǎn)角指令，進(jìn)而控制無人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)航線飛行。并聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)簡單，但是物理概念不明確，容易出現(xiàn)兩個(gè)控制器輸出指令沖突的現(xiàn)象，產(chǎn)生零和效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致飛行航線的側(cè)偏距出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差。

以經(jīng)典控制方法為例，進(jìn)一步說明該問題。如果側(cè)偏距控制器和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制器均存在積分控制環(huán)節(jié)，在航線飛行過程中，很容易出現(xiàn)側(cè)偏距積分器與航跡角積分器反向?qū)ο默F(xiàn)象，最終導(dǎo)致兩路控制器的滾轉(zhuǎn)角指令出現(xiàn)零和效應(yīng)，使無人直升機(jī)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的側(cè)偏距偏差，嚴(yán)重影響航線控制精度。

3 基于多重遞階結(jié)構(gòu)的航線控制方法

為克服傳統(tǒng)方法帶來的問題，進(jìn)一步提高航線飛行的控制精度，本文提出了基于多重遞階控制結(jié)構(gòu)的航線飛行控制算法。

多重遞階控制思想指出：根據(jù)大系統(tǒng)的自然屬性，可將復(fù)雜問題分解成若干相互獨(dú)立的子問題，通過子問題的協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最終目標(biāo)[3]。受此觀點(diǎn)啟發(fā)，將航線控制系統(tǒng)劃由外而內(nèi)劃分成以下三個(gè)回路：

式中，δa表示橫向周期變距，p 表示滾轉(zhuǎn)角速度，γ 表示滾轉(zhuǎn)

圖3：無人直升機(jī)半物理仿真系統(tǒng)組成

圖4：無人直升機(jī)偏航角響應(yīng)曲線圖

（1）外回路為航跡角指向回路，通過控制解算將航線側(cè)偏距信息轉(zhuǎn)化為期望的航跡角指令；

（2）中回路為協(xié)調(diào)控制回路，通過控制解算將航跡角指令轉(zhuǎn)化為期望的滾轉(zhuǎn)角指令；

（3）內(nèi)回路為姿態(tài)跟隨回路，實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)指令的跟蹤控制。

三個(gè)回路的物理概念清晰明確，且三個(gè)回路之間是簡單串聯(lián)關(guān)系，從原理上避免了并聯(lián)控制帶來的控制沖突問題，從而解決傳統(tǒng)方法的側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)偏差問題。

本算法的控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖5：無人直升機(jī)側(cè)偏距響應(yīng)曲線圖

圖6：無人直升機(jī)滾轉(zhuǎn)角指令曲線圖

圖7：無人直升機(jī)偏航角指令曲線圖

基于多重遞階控制結(jié)構(gòu)的航線飛行控制算法如下：角，γc表示滾轉(zhuǎn)角指令，ψ 表示航跡角信息；ψc表示航跡角指令，ψc'表示航線方向，ΔZ 表示側(cè)偏距；g(.)表示協(xié)調(diào)控制回路的控制律，f(.)表示航跡角指向回路的控制律。

4 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，本文利用研究所的無人直升機(jī)半物理仿真系統(tǒng)，開展兩種方法的對比仿真試驗(yàn)工作。無人直升機(jī)半物理仿真系統(tǒng)組成如圖3 所示，其中，某型無人直升機(jī)動力學(xué)仿真系統(tǒng)采用了先進(jìn)的飛行器飛行仿真與工程分析軟件Flightlab 進(jìn)行構(gòu)建。

仿真過程中，采用兩種控制算法分別在同一條航線上飛行的方式進(jìn)行。圖4 為無人直升機(jī)飛行過程中的偏航角響應(yīng)曲線，由圖可知，整個(gè)模擬架次進(jìn)行了兩個(gè)航線段的飛行，其中520 秒至730 秒進(jìn)行第一段航線飛行，前飛速度為23 米/秒；520 秒至780 秒以盤旋方式進(jìn)行航線切換，無人直升機(jī)的前飛速度為23 米/秒；780 秒至960 秒進(jìn)行第二段航線飛行，前飛速度為25 米/秒。

圖5 為航線飛行側(cè)偏距的響應(yīng)曲線，由圖可知，并聯(lián)式控制算法在第二段航線飛行時(shí)出現(xiàn)了零和效應(yīng)，始終維持在5 米左右。本文方法在兩段航線飛行中側(cè)偏距都在0 米附近，體現(xiàn)出更好的航線跟蹤性能。

圖6、圖7 展現(xiàn)了第二段航線飛行時(shí)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)和偏航角動態(tài)響應(yīng)細(xì)節(jié)，由圖可見，在800 秒至950 秒進(jìn)行的第二段航線飛行時(shí)，并聯(lián)控制算法則產(chǎn)生了5 米左右的側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)誤差，而此時(shí)的滾轉(zhuǎn)角指令與航跡角指令都維持不變，導(dǎo)致控制器并沒有輸出相應(yīng)的控制動作，這是零和效應(yīng)的具體表現(xiàn)。

由此可見，采用本文方法的控制效果要明顯好于傳統(tǒng)算法，傳統(tǒng)算法在特定情況出現(xiàn)了側(cè)偏距的穩(wěn)態(tài)偏差，本文方法在航線飛行全過程中始終能夠較好地修正側(cè)偏距誤差，穩(wěn)態(tài)航線側(cè)偏距控制在±1 米以內(nèi)，取得了理想的控制效果。

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)方法存在的穩(wěn)態(tài)偏差問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，根據(jù)大系統(tǒng)多重遞階的控制思想，提出了基于多重遞階控制結(jié)構(gòu)的航線飛行控制方法，從原理上解決了傳統(tǒng)方法帶來的側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)偏差問題。在半物理仿真系統(tǒng)中，對兩種方法進(jìn)行了對比仿真測試。結(jié)果表明，本方法改善了無人直升機(jī)的航線飛行性能，有效解決了側(cè)偏距穩(wěn)態(tài)偏差的問題，為無人直升機(jī)執(zhí)行高精度的航線飛行任務(wù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。