无人机滑跑纠偏控制

vxt = (P cos ϕp − Q cos α cos β + Y sin α −
侧偏距为主反馈信号, 引入侧偏速度、偏航 角和偏航角速度以改善纠偏控制动态性能。这些 信号进入刹车纠偏控制律, 由该控制律运算产生 纠偏刹车指令, 送入左右刹车分配器, 左右刹车 分配器根据刹车指令的正负向左刹车机构或右刹 车机构送入指令, 对飞机产生左偏或右偏控制作 用。方向舵纠偏是在滚转和航向内回路基础上进 行的, 这里的内回路与空中内回路一致。方向舵 纠偏控制律产生的纠偏指令送入航向内回路, 使 方向舵偏转产生偏航力矩进行纠偏。方向舵纠偏 在航向内回路上进行, 一方面可使飞机具有较好 的航向稳定性, 另一方面可减小地面滑跑和离地 后控制模态切换的扰动。滑跑纠偏中保持滚转内 回路同时工作, 可防止在纠偏运动中飞机由于转 弯离心力、侧风等因素导致滚转角过大出现机翼 擦地的危险。
大型无人机均采用前三点式的起落架构型, 可采用前轮转向或主轮差动刹车的方式进行滑跑 纠偏。前轮转向和差动刹车在低速阶段均可对无 人机进行有效的纠偏控制, 但在高速阶段, 由于 升力的增加使机轮对地面的压力减小, 静摩擦力 减小, 使前轮转向和差动刹车的纠偏效能减小, 无法满足纠偏要求。方向舵的效能随着滑跑速度 的增加而提高。因此在高速阶段, 可以依靠方向 舵进行滑跑纠偏。前轮转向和差动刹车均需要与 方向舵进行联合纠偏, 以保证滑跑全程有效的纠 偏控制。前轮转向纠偏控制响应快, 不产生额外 阻力, 因此可减小起飞滑跑距离, 但需要在前起 落架上配装转向舵机, 结构较复杂, 此外还需协 调处理好与前轮减摆装置的关系；差动刹车纠偏 利用了轮式无人机必配的刹车装置, 不需要附加 额外的设备, 不与前轮的减摆装置发生冲突, 因 此容易实现, 但差动刹车纠偏增加了额外的阻力, 使飞机的起飞滑跑距离增加。本文主要针对差动 刹车和方向舵联合纠偏控制。
摘 要：研究无人机(UAV)滑跑纠偏控制方案、控制结构及控制律设计方法。提出了主轮差动刹车与方向舵 联合滑跑纠偏控制方案及控制结构, 建立了包含起落架、刹车装置及跑道特性的无人机滑跑非线性全量数学 模型, 采用频域模型作为参考模型表示期望的滑跑纠偏控制性能, 利用基于遗传算法的全局优化过程对联合 纠偏控制律参数进行设计, 使纠偏控制特性逼近参考模型特性。实例设计表明, 滑跑纠偏控制方案和控制结 构合理可行, 控制律设计方法快捷有效。 关键词：无人机；发射；回收；飞行控制；遗传算法
图 1 为无人机差动刹车和方向舵联合纠偏控 制方案示意图。
图 1 差动刹车和方向舵联合纠偏控制方案 Fig. 1 Scheme of lateral deviation combined control
无人机的横侧向运动信息进入差动刹车控制 律和方向舵纠偏控制律, 通过这两个控制通道对 应控制律的运算产生差动刹车指令和方向舵纠偏 指令, 分别送入主轮刹车机构和方向舵回路, 各 自产生差动刹车纠偏力矩和方向舵纠偏力矩, 这 两个纠偏力矩共同控制无人机的侧向运动, 使侧
第 29 卷 增刊 2008 年 5 月
航空学报 ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA
文章编号: 1000-6893(2008)增-S142-08
无人机滑跑纠偏控制
Vol. 29 Sup. May 2008
王勇, 王英勋
(北京航空航天大学 无人驾驶飞行器设计研究所, 北京 100083)
本文首先提出地面纠偏控制方案及控制结 构, 并给出具体的纠偏控制律表达式, 然后建立 包括起落架特性和差动刹车特性在内的无人机滑 跑模型, 在此基础上应用基于遗传算法的寻优过 程进行多参数的滑跑纠偏控制律设计, 最后以某 型无人机为对象设计滑跑纠偏控制律, 以验证所 提控制方案及控制结构的合理性, 以及所采用控 制律设计方法的高效性。
law.
Key words: UAV; launching; recovery; flight control; genetic algorithm
无人机(UAV)的发射和回收阶段是整个飞行 过程中的关键阶段, 对发射、回收阶段有效安全 的控制是无人机控制的关键内容之一。目前无人 机的发射方式主要包括轨道发射(橡筋绳弹射、 气动发射、液压/气动发射和旋转发射)、零长发 射(火箭助推发射、手抛发射、车载发射和飞轮 发射)及轮式发射；回收方式主要包括轮式滑停 回收、拦阻网回收、空中打捞回收和伞降回收。
lateral deviation control approaching to that of the reference model. The illustration for X-UAV verifies the validity
of the scheme and structure of lateral deviation control, and shows the efficiency of the design procedure of control
δ y = δ yc + K ywyωy + K yγγ
δx = Kγγ
其中： Dz 为飞机相对于机场跑道的侧偏距, 右偏 为正； D z 为侧偏速度, 即地速在与跑道中心线相 垂直方向的分量, 向右为正；ψ 为无人机相对跑 道的偏航角, 左偏为正； γ 为无人机的滚转角, 右滚为正； ωy 为无人机的偏航角速度； δbl 为左 刹车指令； δbr 为右刹车指令； δ y 和 δ x 分别为方 向舵偏转指令和副翼偏转指令； K1 ～ K8 分别为 对应反馈变量的放大系数。
deviation control of main-wheel differential brake and rudder. A universal nonlinear mathematic model of UAV taxi-
ing is deduced, which considers the characteristics of undercarriages, brakes and runway. The desired performance of
收稿日期：2007-09-12；修订日期：2008-01-25 通讯作者：王勇 E-mail: wy_buaa@sina.com
增刊
王勇等：无人机滑跑纠偏控制
S143
1 地面滑跑纠偏控制方案及控制结构
滑跑纠偏的目的就是使无人机在地面滑跑中 相对跑道中心线的侧偏距保持在容许的范围内, 防止出现由于跑道路况、侧风干扰、飞机结构不 对称性等因素使无人机发生冲出跑道的情况。滑 跑纠偏的有效控制还可提高跑道的利用率, 使无 人机可以在窄小跑道或被破坏跑道完好部分上实 现安全起降。纠偏控制即为实现上述目的。
中图分类号：V249.122+.9
文献标识码：A
Abstract: The scheme and structure of lateral deviation control for unmanned aerial vehicle (UAV) taxiing, and the
control law design method are studied. The scheme and structure are put forward, which employed combined lateral
差动刹车和方向舵联合纠偏控制律为无人机 滑跑横侧向运动信息到差动刹车指令和方向舵偏 转指令的映射关系, 两通道的纠偏控制律分别为 上述各横侧向运动信息的线性组合。
差动刹车和方向舵两个纠偏通道的控制律具 体表达式为：
(1) 差动刹车纠偏 δb = K1Dz + K2D z + K3ψ + K4ωy
S144
文献[3]中详细推导了飞机在空中的非线性全 量数学模型, 本文在此基础上, 加入地面作用力
和力矩得到飞机地面滑跑非线性全量模型, 并给 出各个地面力及力矩的计算方法。加入地面作用 力和力矩后的滑跑模型由式(1)～式(12)表示。
图 3 地面对飞机的作用力 Fig. 3 Ground force acting on UAV
长航时等大型无人机一般具有较大的重量, 飞机本身价格昂贵, 在回收阶段需要对机体提供 高度的保护。对这类飞机, 宜采用轮式发射和回 收方式, 即轮式起降。轮式起降中的滑跑纠偏控 制是轮式起降中的重要方面。飞机结构不可避免 地存在不对称性, 机场跑道存在凸凹, 机场存在
各种风扰动, 飞机着陆触地时相对于跑道一般都 存在偏航角和侧向偏移。所有这些因素将导致飞 机在起飞或着陆滑跑中出现相对于跑道的侧向偏 差(侧偏距)。若不及时对侧偏距进行纠正, 飞机 可能侧偏出跑道, 造成严重事故。可以认为, 滑 跑纠偏控制是飞机起飞着陆主要控制任务之一。
2 无人机滑跑模型
要进行无人机滑跑纠偏控制律设计和仿真, 首先需要建立无人机滑跑模型。文献[1]在假设 飞机(含起落架)为刚体的条件下建立了滑跑模型, 所建模型不能完全反映飞机六自由度运动。文 献[2]在建立飞机滑跑模型时, 考虑了起落架的压 缩性, 全面地描述了飞机滑跑六自由度运动, 但 模型需要较详细的起落架特性参数, 并且计算较 复杂。
在跑道上滑跑时, 飞机所受的力除空气动力 外, 还有地面的作用力。地面作用力包括地面支 撑力、滚动摩擦力、刹车力和地面对机轮的侧向 力。地面滑跑时的空气动力和空中类似, 不同之 处是地面滑跑考虑了地效对气动的影响, 该影响 在无人机的气动参数中给予考虑。图 3 表示了飞 机在地面滑跑时地面对飞机的作用力。
航空学报
第 29 卷
其中： δb 经限幅后得到 δbc 。 (2) 左右刹车分配 若 δb ≥ 0 , 则 δbl = δbc , δbr = 0 ；若 δb < 0 , 则
δbl = 0 , δbr = −δbc 。 (3) 方向舵纠偏 δ yc = K5Dz + K6D z + K7ψ + K8ωy
Lateral Deviation Correction Control for UAV Taxiing Wang Yong, Wang Yingxun
(Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)
图 3 中： Z0 , Z1 和 Z2 分别为前轮、右主轮 和左主轮的地面支撑力, 方向近似垂直向上(各轮 中心黑点表示)； Ft0 , Ft1 和 Ft2 分别为Hale Waihona Puke Baidu轮、右 主轮和左主轮所受的地面滚动摩擦力； Ft3 和 Ft4 分别为左右主轮所受的侧向力, 方向在跑道平面 内并垂直于机体轴 xt , 向右为正； Fb1 和 Fb2 分别 为两主轮的刹车力；ψv 为前机轮平面与跑道方 向的夹角, 左偏为正； l1 和 l2 分别为前轮和主轮 到飞机重心的纵向距离；2b 为主轮轮距。
偏距处于安全的范围内。差动刹车纠偏和方向舵 纠偏同时作用于无人机, 随着滑跑空速的增加或 减小(对应于起飞和着陆滑跑), 差动刹车纠偏和 方向舵纠偏自然过渡, 从而保证滑跑全程的有效 纠偏。
图 2 为差动刹车和方向舵联合纠偏控制的 结构。
图 2 差动刹车和方向舵联合纠偏控制结构 Fig. 2 Structure of lateral deviation combined control
lateral deviation control is expressed by reference model in frequency domain. The control law design of lateral de-
viation control by the genetic-algorithms-based optimization procedure is accomplished, ensuring the performance of