無(wú)人機(jī)短距著陸縱向控制策略設(shè)計(jì)

段鵬，鄭金豪，呂健瑋

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

無(wú)人機(jī)是一種無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器。飛行器通過(guò)飛行控制系統(tǒng)或依靠遙控指令進(jìn)行自主飛行。隨著無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的成熟、無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)成本降低與實(shí)際需求的增加，無(wú)人機(jī)在科學(xué)研究、軍事、民用等領(lǐng)域不斷發(fā)光發(fā)熱，無(wú)人機(jī)成為人們眼中未來(lái)前沿科技的代名詞之一。在緊張的國(guó)際形勢(shì)、緊密的戰(zhàn)略部署以及各方投資資本作用下，無(wú)人機(jī)的發(fā)展正在駛?cè)敫咚侔l(fā)展的快車(chē)道。

可重復(fù)使用的中大型無(wú)人機(jī)以輪式起降的固定翼無(wú)人機(jī)為主，該類無(wú)人機(jī)在無(wú)人機(jī)民用方面、軍事用途、科學(xué)研究中占據(jù)巨大的比例。該類無(wú)人機(jī)的技術(shù)推進(jìn)是無(wú)人機(jī)發(fā)展的重要體現(xiàn)之一。

目前軍用機(jī)場(chǎng)建設(shè)位置較為固定，暫時(shí)能滿足各類飛行器的起降要求。隨著世界格局的快速變化，以輪式起降無(wú)人機(jī)為主的軍用無(wú)人機(jī)開(kāi)始進(jìn)行大批量部署。但隨著需求增加與具體應(yīng)用和軍事戰(zhàn)略部署將引發(fā)一系列實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，如規(guī)劃部署中的機(jī)場(chǎng)跑道場(chǎng)地選址難的問(wèn)題等。民用無(wú)人機(jī)在軍民融合政策的引領(lǐng)下發(fā)展勢(shì)頭逐漸壯大，各類通航飛機(jī)的無(wú)人機(jī)改造計(jì)劃正在如火如荼地進(jìn)行。諸多具備優(yōu)良無(wú)人機(jī)特性潛力的機(jī)型正在改造進(jìn)行中。各類資本企業(yè)為占領(lǐng)無(wú)人機(jī)未來(lái)市場(chǎng)，推動(dòng)無(wú)人機(jī)的工業(yè)化進(jìn)程也必須解決這一實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。而無(wú)人機(jī)滑跑距離過(guò)長(zhǎng)是該問(wèn)題的根本原因，故需要縮短無(wú)人機(jī)的滑跑距離。

目前，輪式起降固定翼無(wú)人機(jī)在中大型無(wú)人機(jī)整體數(shù)量以及用途需求上占大多數(shù)。但由于機(jī)場(chǎng)建設(shè)較為固定且跑道選址較為特殊，隨著世界格局的影響以及無(wú)人機(jī)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，迫切地需要短距起降。以推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的自主短距起降技術(shù)實(shí)際運(yùn)用性較低，而現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)不足以支撐無(wú)人機(jī)著陸短距要求。故本文設(shè)計(jì)了一種基于襟翼直接力控制下的著陸控制策略，以取得低速著陸短距效果的同時(shí)保證較好的魯棒性。

本文以中大型常規(guī)氣動(dòng)布局固定翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，首先分析了其在無(wú)襟翼構(gòu)型下著陸無(wú)法取得良好短距性能的問(wèn)題；然后設(shè)計(jì)在連續(xù)襟翼下的著陸短距控制策略；最后經(jīng)仿真對(duì)比證明控制策略下能提升無(wú)人機(jī)的著陸精度以及短距性能。

1 問(wèn)題描述與機(jī)理分析

1.1 自主著陸短距要求

無(wú)人機(jī)著陸飛行過(guò)程大致有以下五個(gè)階段：進(jìn)場(chǎng)平飛段、軌跡捕獲段、陡下滑段、淺下滑段和地面滑跑段(圖1、表1)。各個(gè)階段均肩負(fù)著獨(dú)特的任務(wù)：進(jìn)場(chǎng)平飛段時(shí)，切換著陸狀態(tài)下的氣動(dòng)構(gòu)型、以定高平飛的形式調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)；軌跡捕獲段時(shí)，捕捉無(wú)人機(jī)著陸軌跡，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)切換著陸下滑模態(tài)；陡下滑段時(shí)，無(wú)人機(jī)在下滑過(guò)程沿著預(yù)設(shè)的著陸下滑軌跡線下滑，接近預(yù)設(shè)著陸點(diǎn)；淺下滑段時(shí)，無(wú)人機(jī)在沿著軌跡線逐漸拉起姿態(tài)調(diào)整飛行狀態(tài)，直至安全接地；地面滑行段時(shí)，依靠阻力在地面上減速滑跑，直至停止著陸過(guò)程結(jié)束[1]。該階段決定了無(wú)人機(jī)自主飛行成敗。由于無(wú)人機(jī)間具有不同的特性，此外根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要指定不同的著陸要求指標(biāo)，往往無(wú)人機(jī)著陸控制策略具有豐富的多樣性。

圖1 無(wú)人機(jī)著陸過(guò)程示意圖

表1 著陸軌跡線參數(shù)列表

常規(guī)固定翼無(wú)人機(jī)的著陸短距要求主要有兩點(diǎn)：1)較低的著陸速度。常規(guī)固定翼無(wú)人機(jī)在淺下滑一般下沉率從-2m/s左右變化到-0.5m/s觸地且高度一般在10～20m，故淺下滑飛行時(shí)間大致可知。著陸距離與速度直接相關(guān)，減小著陸飛行速度對(duì)于短距而言極為重要。2)較高的著陸精度。無(wú)人機(jī)須在800m跑道上接地，且不能沖出跑道。由于無(wú)人機(jī)著陸的短距需求，需要無(wú)人機(jī)以較低的飛行速度接地，僅憑升降舵進(jìn)行縱向軌跡控制會(huì)有發(fā)散的跡象，低速情況下不確定性干擾對(duì)空速的影響較大，從而會(huì)影響到無(wú)人機(jī)的著陸控制效果，故在觸地速度達(dá)到要求的同時(shí)需要保證無(wú)人機(jī)著陸的精度問(wèn)題[2]。

1.2 問(wèn)題描述與機(jī)理分析

a)傳統(tǒng)著陸縱向控制策略

傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，無(wú)人機(jī)在陡下滑段采用PI結(jié)構(gòu)通過(guò)油門(mén)進(jìn)行速度控制以保證速度精準(zhǔn)閉環(huán)；升降舵以典型的阻尼內(nèi)回路作為控制內(nèi)回路，以PI結(jié)構(gòu)的高度控制作為控制外回路，以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的高度控制。而在淺下滑段使用動(dòng)態(tài)飛行法，使無(wú)人機(jī)在下滑的過(guò)程中逐步拉起姿態(tài)，利用無(wú)人機(jī)自身的阻力特性進(jìn)行減速，進(jìn)而以合適的俯仰角、飛行速度、下沉率接地，具體關(guān)鍵控制指令如表2所示?？刂平Y(jié)構(gòu)中去除圖2中的虛線部分，升降舵僅保留角回路以及高度的比例控制項(xiàng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于維持開(kāi)車(chē)狀態(tài)下的最小油門(mén)。

圖2 傳統(tǒng)著陸縱向控制策略結(jié)構(gòu)

表2 關(guān)鍵控制指令

b)傳統(tǒng)控制策略下的著陸仿真結(jié)果

傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)淺下滑段在10～20m，對(duì)象無(wú)人機(jī)在15m淺下滑高度下著陸的指標(biāo)如圖3所示。無(wú)人機(jī)的觸地速度為40m/s，而15m高度的飛行距離在900m以上，再加上滑跑距離無(wú)人機(jī)的整體著陸距離應(yīng)>1 200m。對(duì)象無(wú)人機(jī)雖然能夠進(jìn)行正常著陸但是其不具備短距著陸能力，故需要進(jìn)行減速處理以縮短無(wú)人機(jī)的著陸距離以及滑跑距離。

圖3 15 m淺下滑無(wú)人機(jī)觸地指標(biāo)

仿真結(jié)果說(shuō)明常規(guī)控制策略下無(wú)人機(jī)的減速能力弱，無(wú)法取得良好的短距著陸效果。故應(yīng)提高無(wú)人機(jī)的淺下滑高度，用于無(wú)人機(jī)的淺下滑減速。當(dāng)無(wú)人機(jī)淺下滑高度提升至35m時(shí)，無(wú)人機(jī)能夠達(dá)到無(wú)人機(jī)的短距著陸要求。但此時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行不確定性參數(shù)測(cè)試后(表3)，陣風(fēng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的觸地偏差較大，會(huì)間接地威脅無(wú)人機(jī)的著陸安全。仿真結(jié)果說(shuō)明常規(guī)控制策略下無(wú)人機(jī)的減速能力弱，無(wú)法取得良好的短距著陸效果。

表3 不確定性測(cè)試飛行數(shù)據(jù)表

c)傳統(tǒng)控制策略的缺陷

1)陡下滑段速度大

無(wú)人機(jī)著陸時(shí)淺下滑段的初速度大，即陡下滑段的速度較大。在同質(zhì)量及氣動(dòng)構(gòu)型下以相同飛行迎角進(jìn)行飛行時(shí)，無(wú)人機(jī)下滑速度越小，所需縱向平衡狀態(tài)下的下滑軌跡傾角越小。為了使無(wú)人機(jī)在陡下滑段具備良好的速度控制能力，無(wú)人機(jī)的陡下滑階段需要具備一定的油門(mén)開(kāi)度。對(duì)象無(wú)人機(jī)以較小的速度進(jìn)行陡下滑段飛行，會(huì)使得其下滑油門(mén)較小(表4)，而對(duì)象無(wú)人機(jī)在小油門(mén)下的油門(mén)線性度較差且沒(méi)有速度控制的余度，無(wú)法進(jìn)行良好的速度控制。為了保證無(wú)人機(jī)的著陸安全以及著陸精度，對(duì)象無(wú)人機(jī)在無(wú)襟翼氣動(dòng)構(gòu)型之下，無(wú)法大幅度降低陡下滑段飛行速度進(jìn)行下滑，這使得對(duì)象無(wú)人機(jī)在進(jìn)入淺下滑段時(shí)的初速度較大[3]。

表4 相同軌跡傾角下滑配平數(shù)據(jù)表

2)淺下滑段減速能力弱

無(wú)人機(jī)減速能力有兩方面：一方面是減速時(shí)的加速度，另一方面是減速的距離。無(wú)人機(jī)在淺下滑段過(guò)程中油門(mén)開(kāi)度不變即推力不變，重力分量近乎不變，此時(shí)無(wú)人機(jī)減速與阻力直接相關(guān)。由于對(duì)象無(wú)人機(jī)在小迎角下阻力系數(shù)偏小，故無(wú)人機(jī)需要進(jìn)一步增大姿態(tài)。改變縱向受力增大迎角減小推力分量、增大重力分量，提高無(wú)人機(jī)的減速能力。對(duì)象無(wú)人機(jī)在無(wú)襟翼氣動(dòng)構(gòu)型下的氣動(dòng)特性存在一定的特殊性，即升阻比曲線的起點(diǎn)較大外，隨迎角增加升阻比曲線的增長(zhǎng)曲線十分陡峭(圖4)。

升阻比起點(diǎn)大且升阻比曲線陡的特殊表現(xiàn)為：在相同迎角下，隨著迎角的增大，升力的增加遠(yuǎn)超過(guò)阻力的增加。若無(wú)人機(jī)在拉起減速的過(guò)程中較為迅速，當(dāng)動(dòng)壓一定時(shí)，會(huì)引起無(wú)人機(jī)升力的急劇增加，而同時(shí)無(wú)人機(jī)阻力增大的幅度不大，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在淺下滑過(guò)程中快速拉起姿態(tài)十分容易拉飄。如圖5所示，無(wú)人機(jī)在淺下滑減速過(guò)程中為了避免拉飄必須經(jīng)歷一定時(shí)間的姿態(tài)軟化才能建立減速迎角，這又增加了無(wú)人機(jī)的飛行距離。而直接提高淺下滑高度后在不確定性影響下會(huì)威脅著陸安全(圖6)。

圖4 升阻比曲線

圖5 淺下滑初期迎角變化

圖6 35 m淺下滑著陸曲線

綜上所述，對(duì)象無(wú)人機(jī)在無(wú)襟翼構(gòu)型下，一方面淺下滑段減速過(guò)程中初速度大，另一方面減速效果極弱且相對(duì)比正常淺下滑高度數(shù)倍距離也不能獲得良好的減速效果以及較好的抗風(fēng)能力，故對(duì)象無(wú)人機(jī)在無(wú)襟翼構(gòu)型下無(wú)法取得短距效果。

2 連續(xù)襟翼控制策略

2.1 控制方案機(jī)理

襟翼具備增升以及增阻效應(yīng)可用于短距起降[4]。由圖7可以看到，15°襟翼構(gòu)型升力提升了將近50%，而在升力“頂點(diǎn)”所在的30°襟翼構(gòu)型處升力提升了近1倍。在15°襟翼阻氣動(dòng)構(gòu)型力系數(shù)就已經(jīng)提升了1倍，在30°襟翼構(gòu)型下提升了1.5倍。無(wú)人機(jī)有襟翼構(gòu)型與無(wú)襟翼構(gòu)型相比，一方面在相同的飛行迎角下無(wú)人機(jī)升力系數(shù)大幅度增加，在保持升力不變的情況下，通過(guò)無(wú)人機(jī)的切向與法向受力方程(式(1))可知，襟翼構(gòu)型下升力系數(shù)CL增大近1倍且阻力系數(shù)CD增大1倍以上，故可大幅度減小無(wú)人機(jī)的下滑速度[5]。

(1)

圖7 對(duì)象無(wú)人機(jī)升力/阻力特性曲線

另一方面無(wú)人機(jī)需要低速著陸以取得著陸的短距效果。然而在低速條件下僅憑升降舵無(wú)法抵御較大的陣風(fēng)影響[6](圖8)，究其原因是陣風(fēng)影響帶來(lái)的空速影響。這會(huì)導(dǎo)致升力缺失使無(wú)人機(jī)掉高，升降舵舵效降低，威脅無(wú)人機(jī)的著陸安全以及觸地精度。

圖8 陣風(fēng)著陸性能影響

選擇連續(xù)襟翼控制策略的基準(zhǔn)面后，使襟翼在連續(xù)作動(dòng)的過(guò)程中不僅能增加升力還能減小升力。根據(jù)圖7在同一迎角下隨襟翼構(gòu)型的升力系數(shù)變化，該襟翼控制的基準(zhǔn)面需要具備一定的升力以及可控的升力系數(shù)范圍。15°襟翼為各襟翼構(gòu)型升力曲線的中心線，可有效地利用直接升力進(jìn)行軌跡控制。

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

首先選擇了居于升力中心線的15°襟翼構(gòu)型，利用襟翼增升、增阻的特性改善升阻特性，大幅縮短陡下滑段速度，然后在淺下滑段采用連續(xù)襟翼以直接升力的方法抵抗無(wú)人機(jī)的陣風(fēng)影響，增強(qiáng)軌跡控制能力。

因?yàn)殛囷L(fēng)主要影響不具備速度控制的淺下滑段，故主要對(duì)無(wú)人機(jī)的淺下滑段控制策略進(jìn)行改進(jìn)。陣風(fēng)首先影響的是無(wú)人機(jī)的空速，進(jìn)而改變無(wú)人機(jī)的升力和影響無(wú)人機(jī)的軌跡。陣風(fēng)干擾后無(wú)人機(jī)升力增加，飛行軌跡發(fā)生上凸時(shí)，下沉率變化較為明顯，可通過(guò)軌跡設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)下沉率指令，故可選擇下沉率偏差作為襟翼控制的輸入量[7]。因下沉率是軌跡變化中相對(duì)于高度狀態(tài)量相位更為超前的狀態(tài)量，所以控制高度變化率更有利于進(jìn)行軌跡的控制。本文采用PI控制結(jié)構(gòu)增強(qiáng)對(duì)下沉率控制的精度[8]。

升降舵需要設(shè)計(jì)與預(yù)設(shè)著陸點(diǎn)，確定軌跡制導(dǎo)方案，與襟翼形成協(xié)同的控制方案，故為了簡(jiǎn)化控制律選用原控制策略，即高度制導(dǎo)方案，同時(shí)為了抵御襟翼作動(dòng)帶來(lái)的抬頭力矩干擾加入襟翼補(bǔ)償量[8]，最終形成了以抵御陣風(fēng)作用下襟翼下沉率的PI控制結(jié)構(gòu)(圖9)。升降舵以高度控制為外回路，俯仰角回路為內(nèi)回路的控制結(jié)構(gòu)。

圖9 連續(xù)襟翼控制策略結(jié)構(gòu)圖

淺下滑段控制律如下：

(2)

(3)

2.3 可行性分析

圖10(c)、圖10(d)中虛線代表連續(xù)襟翼控制策略，而實(shí)線代表原淺下滑控制策略。通過(guò)曲線可知無(wú)人機(jī)在陣風(fēng)下襟翼能夠良好地控制下沉率變化，且在風(fēng)干擾下連續(xù)襟翼可以降低速度的變化，且通過(guò)俯仰角指令進(jìn)行拉起姿態(tài)時(shí)無(wú)人機(jī)速度的損耗較小，有助于升降舵的高度控制。

圖10 可行性分析相關(guān)曲線

3 仿真對(duì)比與分析

10m/s陣風(fēng)下對(duì)比傳統(tǒng)控制策略與連續(xù)襟翼控制策略下的著陸仿真結(jié)果及分析，如圖11、表5所示。

圖11 加入陣風(fēng)時(shí)仿真結(jié)果對(duì)比

表5 仿真結(jié)果分析表

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一種常規(guī)固定翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)控制策略對(duì)無(wú)人機(jī)自主著陸的短距問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過(guò)選擇合適的連續(xù)襟翼控制策略的基準(zhǔn)構(gòu)型提高了無(wú)人機(jī)減速能力，并設(shè)計(jì)了連續(xù)襟翼控制策略以直接升力控制，提高了無(wú)人機(jī)在低速下的抗風(fēng)能力以及軌跡控制能力，形成了以抵御陣風(fēng)作用下襟翼下沉率的PI控制結(jié)構(gòu)；升降舵以高度控制為外回路，俯仰角回路為內(nèi)回路的控制結(jié)構(gòu)。

通過(guò)仿真試驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的控制策略的有效性，提高了無(wú)人機(jī)風(fēng)干擾下的著陸精度以及短距性能。