李道斌

摘 要： 针对无人机常规纵向控制方案成本较高、姿态变化剧烈、高度跟踪超调大的问题，设计一种基于加速度的纵向控制方案。建立了无人机纵向线性运动模型，介绍基于加速度的纵向控制方程和控制框图，给出纵向控制所需的硬件，提出了控制参数设计的具体步骤，进行了平飞、爬升和下降三种状态数学仿真，并与常规的纵向控制数学仿真结果进行了对比。仿真对比表明，基于加速度的纵向控制方案成本抗干扰能力强，姿态变化平稳，高度跟踪精度高、速度快、无超调，适用于各型无人机的纵向控制。

关键词： 无人机； 加速度； 纵向控制； 数学仿真

中图分类号： TN911?34； V249.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）18?0095?03

Abstract： Since the general longitudinal control schemes for UAV has high cost， drastic attitude change and great overshoot in height tracking， a longitudinal control scheme based on acceleration was designed， and the longitudinal linear motion model of UVA was established. The acceleration?based longitudinal control equationand control block diagram are introduced. The hardware needed for longitudinal control is given. The specific design steps of the control parameters are presented. The mathematical simulation of level flight， climbout and decline was conducted. The simulation results are compared with the mathematical simulation results of conventional longitudinal control law. Simulation comparison results show that the proposed scheme has good anti?interference ability， smooth attitude change， high?accuracy height tracking， fast speed and no overshoot， which is suitable for the longitudinal control of various UAVs.

Keywords： UAV； acceleration； longitudinal control； mathematical simulation

0 引 言

无人机是“无人驾驶飞行器”（UAV）的简称，是一种由动力驱动，依靠无线电遥控设备操纵或按自动程序控制飞行，可重复使用的航空器[1]。通常由动力驱动，飞行器内部控制系统自主控制执行任务或由地面控制站发出遥控指令操纵执行任务[2]。飞行控制系统是无人机的核心系统，其决定了无人机的飞行性能、可靠性和生存能力，高品质的飞行控制系统是无人机实现安全飞行和完成复杂飞行任务的重要保证，直接决定了无人机的性能和作用[3?4]。飞行控制系统是由自动驾驶仪、执行机构（舵机）和传感器系统等组成的一个复杂系统，其中纵向飞行控制方案的设计是无人机飞行控制系统设计的重要组成部分。常规纵向控制方案利用俯仰控制内回路实现跟踪给定爬升/下滑俯仰角指令，达到稳定和跟踪姿态角的目的，实现爬升/下滑模态；利用高度控制外回路达到定高飞行目的，实现平飞模态。姿态角信息由位置陀螺或者较高精度的速率陀螺导航提供，成本较高。且飞行中姿态变化剧烈、高度跟踪超调大。在无人机控制系统中，传感器是其可靠性最差的环节之一，由于传感器故障给控制系统带来的误控制，可能会导致坠机事件，造成巨大损失[5]。本文研究一种基于加速度的纵向控制方案，以简化传感器，减小对陀螺的要求，降低成本。仿真研究结果表明，基于加速度的控制方案能很好地抑制干扰的影响，姿态变化平稳，高度跟踪精度高、速度快、无超调，满足样例无人机纵向控制的要求。

1 纵向控制方案

1.1 常规无人机纵向控制方案

传统无人机控制方法主要实现姿态控制（俯仰/滚转）、高度控制和航迹控制等4个模态[6～9]，纵向控制方案包括姿态控制回路和高度控制回路。通常，要控制飞行器首先是控制它的角运动，使其姿态发生变化，而后重心的轨迹才发生变化。传感器一般需要角速率陀螺、位置陀螺/惯导、GPS/气压高度计，无论是采用位置陀螺还是惯导都会带来较大的成本。常规纵向控制方案结构框图如图1所示。

常规纵向控制方程如下：

[δφ=Kωzzωz+Kφz（φ-φc）+KHz+KHIzs（H-Hc）]

式中：[δφ]为升降舵舵偏角；[Kωzz]为阻尼回路控制系数；[Kφz]为俯仰角回路控制系数；[KHz]为高度回路比例控制系数；[KHIz]为高度回路积分控制系数；[ωz]为俯仰角速度；[φ]为俯仰角；[H]为海拔高度；[φc]为俯仰角指令；[Hc]为高度指令。

1.2 基于加速度的控制方案

基于加速度的纵向回路控制方法首先根据高度差计算加速度指令，再根据加速度差计算角速率指令，利用角速率回路增加阻尼。基于加速度的纵向控制方案结构框图如图2所示。

纵向控制方程如下：

[apc=（KHz+KHDzs）（Hc-H）+gωzc=Kayz（apc-ay1）δφ=Kωzzωz+KωIzωz-ωzcdt]

式中： [KωIz]为角速度积分回路控制系数；[Kayz]为加速度回路控制系数；[KHDz]为高度回路微分控制系数；[ωzc]为指令角速度；[apc]为指令视加速度；[g]为重力加速度；[ay1]为纵向视加速度。

2 控制参数设计

以无人机的直线定常无侧滑飞行为基准运动，利用小扰动线性化方法，得到纵向线性运动模型为：

[x=Ax+Buy=Cx+Du]

式中：状态量[x=V，α，ωz，φ，HT]，其中分别为速度、攻角、俯仰角速度、俯仰角和高度；控制量[u=δe，δTT]，其中分别为升降舵偏角、发动机油门[10]。

采用基于加速度的纵向控制方案设计控制参数，采用频域设计、层层递进的方法，其步骤可总结如下：

（1） 根据无人机运动模型[Gs]，设计[Kωzz]；

（2） 求取增加了阻尼回路后的闭环传递函数[G1s]；

（3） 根据[G1s]，设计[KωIz]；

（4） 求取增加了角速度积分回路后的闭环传递函数[G2s]；

（5） 根据[G2s]，设计[Kayz]；

（6） 求取增加了加速度回路后闭环传递函数[G3s]；

（7） 根据[G3s]，设计[KHz]和[KHDz]。

3 仿真验证及对比分析

选取样例无人机飞行状态为：海拔高度1 000 m，速度为50 m/s，攻角为2°。在平飞、爬升、下降状态下加入10 N·m的风干扰，采用基于加速度的纵向控制方案分别进行数学仿真，并与常规纵向控制方案进行比较。

3.1 平飞状态

给定高度1 000 m进行平飞状态数学仿真，实线为常规纵向控制方案仿真结果，虚线为基于加速度的纵向控制方案仿真结果。对应的俯仰角速度曲线如图3（a）所示，攻角响应曲线如图3（b）所示，高度响应曲线如图3（c）所示。

3.2 爬升状态

给定高度1 100 m进行爬升状态数学仿真，实线为常规纵向控制方案仿真结果，虚线为基于加速度的纵向控制方案仿真结果。对应的俯仰角速度曲线如图4（a）所示，攻角响应曲线如图4（b）所示，高度响应曲线如图4（c）所示。

3.3 下降状态

给定高度900 m进行下降状态数学仿真，实线为常规纵向控制方案仿真结果，虚线为基于加速度的纵向控制方案仿真结果。对应的俯仰角速度曲线如图5（a）所示，攻角响应曲线如图5（b）所示，高度响应曲线如图5（c）所示。

3.4 对比分析

三种状态下常规纵向控制方案与基于加速度的纵向控制方案数学仿真结果对比见表1。

表1 三种状态下数学仿真结果对比

由表1可以看出，与常规纵向控制方案相比，基于加速度的纵向控制方案在干扰和各种状态下，均可以实现准确的高度跟踪，角速度变化平缓，攻角小，高度跟踪速度快、超调小。

4 结 语

本文给出了一种基于加速度的纵向控制方案，对其参数设计方法进行了研究，并将高度、姿态控制效果与传统纵向控制方案进行了对比。仿真结果表明，基于加速度的纵向控制方案成本低、抗干扰能力强、姿态变化平稳、高度跟踪效果好，成本较低。

参考文献

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[6] 张明廉.飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，1994.

[7] LEE J. An optimization and comparison of alternative flight control system design methods using a common set of handling?qualities criteria [C]// Proceedings of 2001 AIAA Conference on Guidance， Navigation， and Control and Co?located. [S.l.]： AIAA， 2001： 38?41.

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[10] 方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.