小型无人机纵向飞行品质研究_王鹏
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该准则是由规定的开环系统带宽 ωBw 及时间延迟 τp 的相互关系定义的。带宽准则［3 － 主 5，9］ 要应用于高 阶系统，没有指定最小的闭环俯仰姿态跟踪带宽，所以 其允许的带宽频率变化使该准则使用更广，适用于不 同大小的飞机； 其次带宽判据准则带宽准则定义未对 系统响应特性作任何限制，因此适用于响应类型多变 的无人机。文献［4 － 6，9］在分析无人机飞行品质标 准时，都建议使用带宽准则。综合分析，有人机飞行品 质中的带宽准则对无人机来说比较适用。因此，本文
价指标对无人机飞行品质进行评价。 针对目前无人机飞行品质标准的缺失，本文系统
研究了算例小型无人机增稳前后的纵向飞行性能，依 据有人机飞行品质标准对其纵向短周期飞行品质进行 了评定，得出了小型无人机纵向飞行品质的新特点，并 提出了小型无人机的纵向飞行品质评价方法。
1 增稳前后算例无人机的性能对比
本文研究的对象为质量 5 kg 的某小型无人机，最 大飞行高度 3 000 m，最大飞行速度 Ma = 0． 06。本文 在设计点（ h = 2 000 m，Ma = 0． 05） 对算例无人机进行 分析评价。运行环境为 MATLAB，在设计点处对算例 无人机进行纵向时域性能分析，结果表明无人机本体 时域性能不好，因此在此基础上对无人机本体进行增 稳控制，增稳前后无人机的时域性能对比如下：
2 纵向飞ห้องสมุดไป่ตู้品质评定
选取算例无人机处于空中飞行阶段（ B 种阶段： h = 2 000 m，Ma = 0． 05） 。本文对增稳前后算例无人机
图 3 有人驾驶飞机飞行品质标准（ 飞行阶段 B）
由表 1 和图 3 可见，按照现行的有人机 CAP 飞行 品质评定标准，增稳前的无人机飞行品质为标准 2，增 稳后的无人机评定为标准 3。增稳以后，无人机的飞 行品质反而变差了，而由前面增稳前后无人机的性能 对比分析知 道，增 稳 后 的 无 人 机 时 域 性 能 明 显 变 好。 由此可见，根据现行的有人机 CAP 准则评定小型无人 机的飞行品质，得到的评定结果与实际情况不符。 2． 2 带宽准则评定
机，使用了比例系数 N 来调整 CAP 准则的标准等级，
比例关系如下：
ω = ω 槡N small － scale
large － scale
（ 3）
4 结束语
本文利用增稳前后算例无人机的时域性能改善验 证了部分有人机飞行品质准则对小型无人机的适用 性，提出了小型无人机的纵向飞行品质评定方法： 改进 的 CAP 准则和带宽准则，并可依据此评定方法对小型 无人机进行纵向短周期飞行品质特性分析。对于目前 无人机飞行品质标准的缺失，本文引出的小型无人机 纵向飞行品质评定方法对无人机飞行品质研究的发展 提出了一种新的尝试和研究思路，对小型无人机及其 飞控系统的设计有一定的借鉴作用。但是这两种评定 准则还都存在一定的不足，即准则边界的确定，还需要 以后大量飞行试验的验证，才能确定适用于无人机的 飞行品质评定准则边界，这也是以后研究的重点。
文献标识码： A
文章编号： 1671-654X（ 2014） 03-0033-03
Ｒesearch on Longitudinal Flying Quality for Small UAV
WANG Peng，YAN zhi- an，MA Song- hui
（ National Key Laboratory of Science and Technology on UAV，NWPU，Xi'an 710065，China）
·34· 图 1 增稳前后无人机时域性能对比
航空计算技术
第 44 卷 第 3 期
的纵向飞行品质进行评定，以验证有人机飞行品质标 准对无人机的适用性。通过对文献［3 － 6］的分析总 结，采用两种比较有代表性的纵向飞行品质标准对无 人机进行评定： CAP 准则和带宽准则。 2． 1 CAP 准则评定
通过上文对算例无人机的纵向飞行品质评定结果 可以看出，利用 CAP 准则和带宽准则会得到不同的评 定结果，结合前面时域性能的对比分析，可以得出现行 的有人机 CAP 准则对小型无人机不再适用。小型无 人机一般都尺寸较小，质量较轻，转动惯量比较小，而 且速度也比较低。由下式
槡 ωsp ≈
ZaMq U1
Abstract： All the present research of UAV flying qualities has been done according to the human flying quality criterion，because there is no special UAV flying quality criterion． This paper validates the applicability of human flying quality criterion such as CAP and bandwidth criterions for small UAVs through analyzing the UAV performance before and after the inclusion of control augmentation system，and proposes a means to evaluate the longitudinal flying quality research of small UAV． The study of this paper can provide a reference for the future research of UAV flying quality． Key words： UAV； control augmentation system； longitudinal flying quality； bandwidth criterio
［4］ 王峰，祁圣君，张喆． 几种典型飞行品质对无人机的适用 性研究［J］． 飞行力学，2013，31( 5) : 389 － 393．
引言
近年来，无人机以其独特的优势越来越多地在民 用和军事领域使用，但与其迅猛发展形成鲜明对比的 是，无人机飞行品质的研究却严重滞后。飞行品质规 范是飞机和飞行控制系统的设计依据和标准，能保证 飞机设计的可靠性和安全性，提高飞机设计的效率，缩 短研制周期和降低研发成本。有人机飞行品质研究已 经非常成熟，而且有力地支撑和推动了有人机迅猛发 展，然而目前国内外尚无专门针对无人机的飞行品质 标准，均是借鉴有人机飞行品质标准对无人机飞行品 质进行研究。但是有人机飞行品质标准是否也能适用 于无人机，目 前 没 有 定 论，也 是 现 在 国 内 外 研 究 的 热 点。文献［1 － 3］对无人机飞行品质进行定性的分析， 没有对具体的评价标准和性能指标进行研究说明； 文 献［4 － 6］分析了有人机纵向飞行品质标准对无人机 的适用性，但是评价标准不统一： 例如文献［3］通过定 性的分析认为有人机的 CAP 准则评价指标不再适用 于无人机，而文献［6］则使用了有人机的 CAP 准则评
参考文献：
［1］ 戴宁，杨晖． 无人 机飞 行品质 规范 浅析［J］． 飞行力学， 2005，23( 4) : 13 － 15．
［2］ 陶于金，王建培． 无人机飞行品质标准研究［J］． 飞行力 学，2010，28( 1) : 13 － 15．
［3］ Holmberg J，King D J． Flying Qualities Specifications and Design Standards for Unmanned Aerial Vehicles［Ｒ］． AIAA2008 － 6555，2008．
第 44 卷 第 3 期 2014 年 5 月
航空计算技术 Aeronautical Computing Technique
Vol． 44 No． 3 May． 2014
小型无人机纵向飞行品质研究
王 鹏，闫志安，马松辉
（ 西北工业大学 无人机特种技术重点实验室，陕西 西安 710065）
摘 要： 目前针对无人机的飞行品质评估标准缺失，都是参照有人机飞行品质准则对无人机进行评价，而且评价的
5． 08
0． 037 2
增稳后
9． 08
0． 030 6
品质等级 2 1
表 3 改进后的 CAP 准则评定结果
项目 增稳前 增稳后
ωsp / rad / s 7． 7 10． 9
ζsp 0． 74 0． 95
n /α 品质等级
8． 9
2
8． 9
1
由表 3 和图 3 可知，依据改进后的 CAP 准则，增 稳前算例无人机处于标准 2，增稳后属于标准 1，飞行 品质得到提升，无人机性能变好，与前面时域分析的结 果比较吻合，而 且 与 带 宽 准 则 评 定 的 结 果 也 相 一 致。 说明改进后的 CAP 准则就可以适用于小型无人机的 纵向飞行品质评定。因此可以使用改进后的 CAP 准 则和带宽准则对小型无人机纵向飞行品质进行评定。
1） 增稳前后算例无人机的俯仰角 δ、俯仰角速率 q 和速度 V 的时域响应对比，如图 1 所示。
2） 增稳前后的无人机稳定性对比，见图 2。
收稿日期： 2014 － 03 － 03
修订日期： 2014 － 04 － 17
作者简介： 王 鹏（ 1977 － ） ，山东淄博人，高级工程师，博士，主要研究方向为飞行控制与仿真、地形跟随、鲁棒控制、先进控制理论及应用等。
标准也不统一。通过对某小型无人机增稳前后的性能进行分析对比，验证了有人机飞行品质标准中的 CAP 准则
和带宽准则对小型无人机的适用性，进而提出了小型无人机纵向飞行品质评定方法，对无人机飞行品质的研究具
有一定的借鉴作用。
关键词： 无人机; 增稳系统; 纵向飞行品质; 带宽准则
中图分类号： V212． 13
表 1 CAP 准则飞行品质评定结果
项目 增稳前 增稳后
ωsp / rad / s 7． 7 10． 9
ζsp 0． 74 0． 95
n /α 品质等级
8． 9
2
8． 9
3
图 2 增稳前后无人机稳定性对比
由以上对比可以看出，增稳后无人机的时域响应 显著改善，稳定裕度显著提高，表明增稳后飞机的性能 变好。
CAP 准则［6 － 7］的品质等级由指标参数当量短周期 频率 ωsp ，阻尼比 ζsp 以及单位迎角下的稳态法向过载 n / α 的相互关系定义，这里的当量短周期频率 ωsp 和阻 尼比 ζsp需要使用低阶等效系统方法获得。等效系统 方法现 在 已 经 很 成 熟，具 体 不 再 介 绍，可 参 见 文 献 ［8］。通过等效系统法，使用 CAP 准则，可得到增稳前 后算例无人机的纵向飞行品质评定结果，见表 1 和图 3。
2014 年 5 月
王 鹏 等： 小型无人机纵向飞行品质研究
·35·
使用带宽准则对算例无人机进行飞行品质评定。 根据带宽准则对算例无人机的纵向飞行品质进行
评定，选 取 算 例 无 人 机 处 于 空 中 飞 行 阶 段 （ h = 2 000 m，Ma = 0． 05） ，评定结果如表 2 和图 4 所示［10］。
式中 N 为选取的标准大型飞机和小型无人机的翼展 之比，N = 80，从而得出了改进的 CAP 准则。本文算例 无人机 在 改 进 后 的 CAP 准 则 中 评 定 结 果 见 表 3 和 图 3。
表 2 带宽准则飞行品质评定结果
项目 姿态带宽 ωBw / rad / s 延迟时间 τp / s
增稳前
图 4 姿态带宽评估图（ 空中飞行阶段）
由表 2 和图 4 可看出，增稳后的算例无人机飞行 品质得到提升，这和前面时域性能分析的结果也比较 吻合，说明使用带宽准则对小型无人机进行飞行品质 评定是可行的。但是带宽准则的边界，是否能比较准 确地符合无人机的特性，还需要大量的飞行试验进行 验证。
3 飞行品质结果分析
－ Ma
（ 1）
Ma
=
QSW cA Cma Iyy
（ 2）
可以看出，短周期频率 Ma 与和速度 U1 相关，而 Ma 又
与转动惯量成反比，因此小型无人机较小的转动惯量
和较低的飞行速度会导致其短周期频率很大，导致其
不再适 用 于 有 人 机 的 飞 行 品 质 标 准。鉴 于 此，文 献
［7］提出了一种改进的 CAP 标准以适用于小型无人
价指标对无人机飞行品质进行评价。 针对目前无人机飞行品质标准的缺失，本文系统
研究了算例小型无人机增稳前后的纵向飞行性能，依 据有人机飞行品质标准对其纵向短周期飞行品质进行 了评定，得出了小型无人机纵向飞行品质的新特点，并 提出了小型无人机的纵向飞行品质评价方法。
1 增稳前后算例无人机的性能对比
本文研究的对象为质量 5 kg 的某小型无人机，最 大飞行高度 3 000 m，最大飞行速度 Ma = 0． 06。本文 在设计点（ h = 2 000 m，Ma = 0． 05） 对算例无人机进行 分析评价。运行环境为 MATLAB，在设计点处对算例 无人机进行纵向时域性能分析，结果表明无人机本体 时域性能不好，因此在此基础上对无人机本体进行增 稳控制，增稳前后无人机的时域性能对比如下：
2 纵向飞ห้องสมุดไป่ตู้品质评定
选取算例无人机处于空中飞行阶段（ B 种阶段： h = 2 000 m，Ma = 0． 05） 。本文对增稳前后算例无人机
图 3 有人驾驶飞机飞行品质标准（ 飞行阶段 B）
由表 1 和图 3 可见，按照现行的有人机 CAP 飞行 品质评定标准，增稳前的无人机飞行品质为标准 2，增 稳后的无人机评定为标准 3。增稳以后，无人机的飞 行品质反而变差了，而由前面增稳前后无人机的性能 对比分析知 道，增 稳 后 的 无 人 机 时 域 性 能 明 显 变 好。 由此可见，根据现行的有人机 CAP 准则评定小型无人 机的飞行品质，得到的评定结果与实际情况不符。 2． 2 带宽准则评定
机，使用了比例系数 N 来调整 CAP 准则的标准等级，
比例关系如下：
ω = ω 槡N small － scale
large － scale
（ 3）
4 结束语
本文利用增稳前后算例无人机的时域性能改善验 证了部分有人机飞行品质准则对小型无人机的适用 性，提出了小型无人机的纵向飞行品质评定方法： 改进 的 CAP 准则和带宽准则，并可依据此评定方法对小型 无人机进行纵向短周期飞行品质特性分析。对于目前 无人机飞行品质标准的缺失，本文引出的小型无人机 纵向飞行品质评定方法对无人机飞行品质研究的发展 提出了一种新的尝试和研究思路，对小型无人机及其 飞控系统的设计有一定的借鉴作用。但是这两种评定 准则还都存在一定的不足，即准则边界的确定，还需要 以后大量飞行试验的验证，才能确定适用于无人机的 飞行品质评定准则边界，这也是以后研究的重点。
文献标识码： A
文章编号： 1671-654X（ 2014） 03-0033-03
Ｒesearch on Longitudinal Flying Quality for Small UAV
WANG Peng，YAN zhi- an，MA Song- hui
（ National Key Laboratory of Science and Technology on UAV，NWPU，Xi'an 710065，China）
·34· 图 1 增稳前后无人机时域性能对比
航空计算技术
第 44 卷 第 3 期
的纵向飞行品质进行评定，以验证有人机飞行品质标 准对无人机的适用性。通过对文献［3 － 6］的分析总 结，采用两种比较有代表性的纵向飞行品质标准对无 人机进行评定： CAP 准则和带宽准则。 2． 1 CAP 准则评定
通过上文对算例无人机的纵向飞行品质评定结果 可以看出，利用 CAP 准则和带宽准则会得到不同的评 定结果，结合前面时域性能的对比分析，可以得出现行 的有人机 CAP 准则对小型无人机不再适用。小型无 人机一般都尺寸较小，质量较轻，转动惯量比较小，而 且速度也比较低。由下式
槡 ωsp ≈
ZaMq U1
Abstract： All the present research of UAV flying qualities has been done according to the human flying quality criterion，because there is no special UAV flying quality criterion． This paper validates the applicability of human flying quality criterion such as CAP and bandwidth criterions for small UAVs through analyzing the UAV performance before and after the inclusion of control augmentation system，and proposes a means to evaluate the longitudinal flying quality research of small UAV． The study of this paper can provide a reference for the future research of UAV flying quality． Key words： UAV； control augmentation system； longitudinal flying quality； bandwidth criterio
［4］ 王峰，祁圣君，张喆． 几种典型飞行品质对无人机的适用 性研究［J］． 飞行力学，2013，31( 5) : 389 － 393．
引言
近年来，无人机以其独特的优势越来越多地在民 用和军事领域使用，但与其迅猛发展形成鲜明对比的 是，无人机飞行品质的研究却严重滞后。飞行品质规 范是飞机和飞行控制系统的设计依据和标准，能保证 飞机设计的可靠性和安全性，提高飞机设计的效率，缩 短研制周期和降低研发成本。有人机飞行品质研究已 经非常成熟，而且有力地支撑和推动了有人机迅猛发 展，然而目前国内外尚无专门针对无人机的飞行品质 标准，均是借鉴有人机飞行品质标准对无人机飞行品 质进行研究。但是有人机飞行品质标准是否也能适用 于无人机，目 前 没 有 定 论，也 是 现 在 国 内 外 研 究 的 热 点。文献［1 － 3］对无人机飞行品质进行定性的分析， 没有对具体的评价标准和性能指标进行研究说明； 文 献［4 － 6］分析了有人机纵向飞行品质标准对无人机 的适用性，但是评价标准不统一： 例如文献［3］通过定 性的分析认为有人机的 CAP 准则评价指标不再适用 于无人机，而文献［6］则使用了有人机的 CAP 准则评
参考文献：
［1］ 戴宁，杨晖． 无人 机飞 行品质 规范 浅析［J］． 飞行力学， 2005，23( 4) : 13 － 15．
［2］ 陶于金，王建培． 无人机飞行品质标准研究［J］． 飞行力 学，2010，28( 1) : 13 － 15．
［3］ Holmberg J，King D J． Flying Qualities Specifications and Design Standards for Unmanned Aerial Vehicles［Ｒ］． AIAA2008 － 6555，2008．
第 44 卷 第 3 期 2014 年 5 月
航空计算技术 Aeronautical Computing Technique
Vol． 44 No． 3 May． 2014
小型无人机纵向飞行品质研究
王 鹏，闫志安，马松辉
（ 西北工业大学 无人机特种技术重点实验室，陕西 西安 710065）
摘 要： 目前针对无人机的飞行品质评估标准缺失，都是参照有人机飞行品质准则对无人机进行评价，而且评价的
5． 08
0． 037 2
增稳后
9． 08
0． 030 6
品质等级 2 1
表 3 改进后的 CAP 准则评定结果
项目 增稳前 增稳后
ωsp / rad / s 7． 7 10． 9
ζsp 0． 74 0． 95
n /α 品质等级
8． 9
2
8． 9
1
由表 3 和图 3 可知，依据改进后的 CAP 准则，增 稳前算例无人机处于标准 2，增稳后属于标准 1，飞行 品质得到提升，无人机性能变好，与前面时域分析的结 果比较吻合，而 且 与 带 宽 准 则 评 定 的 结 果 也 相 一 致。 说明改进后的 CAP 准则就可以适用于小型无人机的 纵向飞行品质评定。因此可以使用改进后的 CAP 准 则和带宽准则对小型无人机纵向飞行品质进行评定。
1） 增稳前后算例无人机的俯仰角 δ、俯仰角速率 q 和速度 V 的时域响应对比，如图 1 所示。
2） 增稳前后的无人机稳定性对比，见图 2。
收稿日期： 2014 － 03 － 03
修订日期： 2014 － 04 － 17
作者简介： 王 鹏（ 1977 － ） ，山东淄博人，高级工程师，博士，主要研究方向为飞行控制与仿真、地形跟随、鲁棒控制、先进控制理论及应用等。
标准也不统一。通过对某小型无人机增稳前后的性能进行分析对比，验证了有人机飞行品质标准中的 CAP 准则
和带宽准则对小型无人机的适用性，进而提出了小型无人机纵向飞行品质评定方法，对无人机飞行品质的研究具
有一定的借鉴作用。
关键词： 无人机; 增稳系统; 纵向飞行品质; 带宽准则
中图分类号： V212． 13
表 1 CAP 准则飞行品质评定结果
项目 增稳前 增稳后
ωsp / rad / s 7． 7 10． 9
ζsp 0． 74 0． 95
n /α 品质等级
8． 9
2
8． 9
3
图 2 增稳前后无人机稳定性对比
由以上对比可以看出，增稳后无人机的时域响应 显著改善，稳定裕度显著提高，表明增稳后飞机的性能 变好。
CAP 准则［6 － 7］的品质等级由指标参数当量短周期 频率 ωsp ，阻尼比 ζsp 以及单位迎角下的稳态法向过载 n / α 的相互关系定义，这里的当量短周期频率 ωsp 和阻 尼比 ζsp需要使用低阶等效系统方法获得。等效系统 方法现 在 已 经 很 成 熟，具 体 不 再 介 绍，可 参 见 文 献 ［8］。通过等效系统法，使用 CAP 准则，可得到增稳前 后算例无人机的纵向飞行品质评定结果，见表 1 和图 3。
2014 年 5 月
王 鹏 等： 小型无人机纵向飞行品质研究
·35·
使用带宽准则对算例无人机进行飞行品质评定。 根据带宽准则对算例无人机的纵向飞行品质进行
评定，选 取 算 例 无 人 机 处 于 空 中 飞 行 阶 段 （ h = 2 000 m，Ma = 0． 05） ，评定结果如表 2 和图 4 所示［10］。
式中 N 为选取的标准大型飞机和小型无人机的翼展 之比，N = 80，从而得出了改进的 CAP 准则。本文算例 无人机 在 改 进 后 的 CAP 准 则 中 评 定 结 果 见 表 3 和 图 3。
表 2 带宽准则飞行品质评定结果
项目 姿态带宽 ωBw / rad / s 延迟时间 τp / s
增稳前
图 4 姿态带宽评估图（ 空中飞行阶段）
由表 2 和图 4 可看出，增稳后的算例无人机飞行 品质得到提升，这和前面时域性能分析的结果也比较 吻合，说明使用带宽准则对小型无人机进行飞行品质 评定是可行的。但是带宽准则的边界，是否能比较准 确地符合无人机的特性，还需要大量的飞行试验进行 验证。
3 飞行品质结果分析
－ Ma
（ 1）
Ma
=
QSW cA Cma Iyy
（ 2）
可以看出，短周期频率 Ma 与和速度 U1 相关，而 Ma 又
与转动惯量成反比，因此小型无人机较小的转动惯量
和较低的飞行速度会导致其短周期频率很大，导致其
不再适 用 于 有 人 机 的 飞 行 品 质 标 准。鉴 于 此，文 献
［7］提出了一种改进的 CAP 标准以适用于小型无人