飞翼布局无人机数学建模及容错控制

随着飞翼布局无人机的广泛研究以及任务环境的日益复杂，针对于飞翼布局无人机进行容错控制逐渐成为其
飞行控制的主要技术手段，论文根据建立的飞翼布局无人机数学模型，设置了舵面故障影响，给出了具有自适应性质的容错
算法，并针对无人机横侧向运动进行了 Matlab/Simulink 仿真，实现了控制指令与响应的快速稳定，完成了对飞翼无人机的容
错控制。
关键词
飞翼布局；无人机；舵面故障；容错控制；仿真分析
中图分类号
TJ85；TP391.9
DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2020. 06. 012
Mathematical Modeling and Fault Tolerant-Control of UAV with
能力，确保无人机能够顺利地执行任务并安全回归
控制作用进行调整，也可充当副翼并发挥升降舵的
本地。
功能。副翼主要针对滚转通道进行控制。该无人
从外形上看，飞翼布局没有垂直尾翼，但可以
机的偏航运动则由最外侧的开裂式阻力方向舵的
通过矢量推力装置，以及数量较多的操纵舵面，来
开合作用来实现。该型号无人机的具体性能参数
总第 312 期
Vol. 40 No. 6
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舰 船 电 子 工 程
Ship舰Electronic
船 电 子Engineering
工 程
2020 年第 6 期
飞翼布局无人机数学建模及容错控制
林建欣 1
（1. 海军航空大学岸防兵学院
摘
要
烟台
陈
∗
洁 1，2
264001）
（2. 海军航空大学战勤学院
烟台
264001）
cal model of flying wing UAV, the influence of rudder failure is set, and the fault-tolerant algorithm with adaptive property is given.
Finally, the fault-tolerant algorithm with adaptive property is proposed Matlab / Simulink simulation realizes the fast stability of con⁃
Wing Layout
LIN Jianxin1
CHEN Jie1，2
（1. College of Coastal Defense，Naval Aviation University，Yantai
（2. College of Combat，Naval Aviation University，Yantai
c 2 =
(
图1
表1
2.2
飞翼无人机性能参数
参数数值
机身长度
11.6m
4.23
展弦比
55 /30
o
前缘后掠角
0.75Ma
巡航速度
12000m
最大飞行高度
2
飞翼无人机数学建模
2.1
动力学方程组
根据牛顿第二定律，可以推导出无人机在重
力、空气动力和推力合成的综合作用外力 F Σ 以及
力矩 M Σ 作用下的非线性动力学方程组以及角动
力方程组。其中动力学方程组是速度 V 在机体坐
标系的分量 uvw 的导数与合外力 F Σ 在机体坐
着下面关系：
éϕ̇ ù ép + r cos ϕ tan θ + q sin ϕ tan θù
ú
ê ̇ú = ê
q cos ϕ - r sin ϕ
êθú ê r cos ϕ + q sin ϕ / cos θ ú
trol command and response, and completes the fault-tolerant control of flying wing UAV.
Key Words
wing layout，unmanned aerial vehicle，rudder failure，fault tolerant control，simulation calculation
实现飞机的稳定飞行。
∗
见表 1。
收稿日期：2019 年 12 月 13 日，修回日期：2020 年 01 月 19 日
作者简介：林建欣，男，硕士研究生，研究方向：最优控制理论及其应用。
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总第 312 期
林建欣等：飞翼布局无人机数学建模及容错控制
c1 =
(I
y
)
- I z I z - I xz2
Iz Ix - I
)
ëψ̇ û ë (
û
V 与 uvw 的关系为
éVù éV cos α cos βù
éu ù
êêv úú = LTab êê0 úú = ê V sin β ú
ê
ú
ëwû
ë0 û ëV sin α cos β û
因此有
（4）
（5）
T cos α cos β - D + G xa
é
ù
ê
ú
m
éV̇ ù ê-T sin α - L + mV ( -p cos α sin β + q cos β - r sin α sin β ) + G ú
Abstract
264001）
264001）
With the extensive research of flying wing UAV and the increasingly complex mission environment, fault-tolerant
control for flying wing UAV has gradually become the main technical means of its flight control. Based on the established mathemati⁃
Class Number
1
TJ85，TP391.9
引言
在无人机研究领域，飞翼布局无疑是极为经典
的一种布局模式。具有结构简单、高机动性、隐身
性、翼身融合设计等诸多优点。但是由于飞翼无人
机所执行的任务通常具有范围大、续航要求高、环
境条件恶劣的特点，因此有关其控制系统的可靠性
操纵面作为无人机的执行机构，长期频繁地执
行任务，是系统中最易发生故障的部件之一，解决
飞翼无人机的操纵面故障问题是必须要解决的难
题。本次研ຫໍສະໝຸດ 的飞翼无人机基本构型可以参见图1，该无人机具有 4 对操作舵面：升降副翼融合了副
翼与升降舵的功能，主要控制无人机的俯仰通道。
要求就颇为严格，这就需要它具有一定的容错控制
余度舵与副翼相接，可以按照实际需求对冗余舵的