小型無人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)研究

閆志安 趙 健

(中電科特種飛機(jī)系統(tǒng)工程有限公司,四川 自貢643000)

針對目前無人機(jī)飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的缺失,本文結(jié)合小型無人機(jī)的固有特點,選擇橫側(cè)向荷蘭滾模態(tài)對無人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]進(jìn)行定性和定量分析；并對算例無人機(jī)設(shè)計橫側(cè)向內(nèi)回路控制器,通過對內(nèi)回路控制器接通前后的算例無人機(jī)飛行性能的比較分析,實際驗證了有人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)準(zhǔn)則對算例小型無人機(jī)的適用性,并結(jié)合小型無人機(jī)特點給出了是否適用的原因分析；根據(jù)分析的原因,對不適用的飛行品質(zhì)準(zhǔn)則進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)以滿足小型無人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定。

1 控制器接通前后無人機(jī)橫側(cè)向性能對比

本文以5kg 某小型無人機(jī)為研究對象,選擇設(shè)計點(h=1000m,Ma=0.05),對比控制器接通前后兩種情況下無人機(jī)的性能變化。時域方面,給算例無人機(jī)施加5°的滾轉(zhuǎn)角階躍跟蹤信號,對比兩種情況下無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角和側(cè)滑角的時域響應(yīng)；頻域方面對比兩種情況下系統(tǒng)的幅值裕度Gm 和相位裕度Pm 的變化,對比如下:

1.1 時域性能對比

時域性能對比見圖1。

圖1 時域性能對比

1.2 頻域性能對比

頻域性能對比見圖2。

圖2 帶控制器前后頻域特性曲線phi/da

根據(jù)對比結(jié)果,帶控制器后無人機(jī)的橫側(cè)向時域響應(yīng)顯著改善,穩(wěn)定裕度顯著提高,帶控制器后無人機(jī)的橫側(cè)向飛行性能變好。

對算例無人機(jī)分別給予初始5°的側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角初始擾動,控制器接通前后的滾轉(zhuǎn)角和側(cè)滑角響應(yīng)結(jié)果見圖3。

由圖3 的結(jié)果可,控制器接通情況下,無人機(jī)橫側(cè)向運動都能快速收斂,滾轉(zhuǎn)角和側(cè)滑角都沒有出現(xiàn)振蕩且能快速收斂至初始狀態(tài),控制器能很好的抑制荷蘭滾模態(tài),使得橫側(cè)向性能改善。

圖3 5°初始滾轉(zhuǎn)角和側(cè)滑角擾動下的過渡過程

2 橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定

荷蘭滾模態(tài)的飛行品質(zhì)主要取決于下列三個參數(shù):自然頻率、阻尼比、總阻尼系數(shù)。國軍標(biāo)GJB185-86 規(guī)范[3]中對荷蘭滾模態(tài)的自然頻率、阻尼比、總阻尼系數(shù)這三個飛行品質(zhì)參數(shù)分別做出了要求(只列舉巡航階段),如表1 所示。

表1 最小荷蘭滾轉(zhuǎn)頻率及阻尼

算例無人機(jī)帶控制器前后的橫側(cè)向飛行品質(zhì)參數(shù),結(jié)果如表2 所示。

表2 橫側(cè)向荷蘭滾飛行品質(zhì)對比

按照現(xiàn)行的有人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn),不帶控制器的算例無人機(jī)飛行品質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)1,帶控制器的算例無人機(jī)評定也為標(biāo)準(zhǔn)1。由前面控制器接通前后的無人機(jī)橫側(cè)向飛行性能對比可知,帶控制器后算例無人機(jī)的橫側(cè)向時域和頻域性能明顯變好,荷蘭滾模態(tài)性能顯著改善。由此可見,根據(jù)現(xiàn)行的有人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn),得到的小型無人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定結(jié)果并不能準(zhǔn)確的反映實際情況,需要根據(jù)小型無人機(jī)的特點做出適當(dāng)修改才能滿足實際的評定情況[4-5]。

鑒于此,提出了一種橫側(cè)向飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以適用于小型無人機(jī),使用了比例系數(shù)N 來調(diào)整其標(biāo)準(zhǔn)等級,比例關(guān)系如下:

N 為選取的標(biāo)準(zhǔn)大型飛機(jī)和小型無人機(jī)的翼展之比,選取N=80,修改后的荷蘭滾飛行品質(zhì)參數(shù)如上表1。

按照改進(jìn)后的最小荷蘭滾轉(zhuǎn)頻率及阻尼標(biāo)準(zhǔn)來重新評價算例無人機(jī)的荷蘭滾模態(tài)性能,評價結(jié)果如表2 所示。

由表2 可以看出,依據(jù)改進(jìn)的最小荷蘭滾頻率及阻尼標(biāo)準(zhǔn),算例無人機(jī)在接通控制器后飛行品質(zhì)有所改善,這也和上面荷蘭滾模態(tài)性能對比結(jié)果吻合,說明改進(jìn)后的最小荷蘭滾轉(zhuǎn)頻率及阻尼標(biāo)準(zhǔn)比原先的標(biāo)準(zhǔn)更為有效合理。

3 結(jié)論

本文對帶控制器前后算例無人機(jī)的橫側(cè)向荷蘭滾模態(tài)性能進(jìn)行分析對比,驗證了有人機(jī)橫側(cè)向飛行品質(zhì)準(zhǔn)則對小型無人機(jī)的適用性,提出了改進(jìn)的最小荷蘭滾轉(zhuǎn)頻率及阻尼標(biāo)準(zhǔn),通過仿真驗證表明在算例小型無人機(jī)橫側(cè)向荷蘭滾時域性能明顯變好的情況下,橫側(cè)向飛行品質(zhì)評定結(jié)果能準(zhǔn)確的反映這種變化趨勢,說明改進(jìn)后的最小荷蘭滾轉(zhuǎn)頻率及阻尼標(biāo)準(zhǔn)比原先的標(biāo)準(zhǔn)更為有效合理。