第三章无人直升机的飞行控制技术

第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计 驾驶员稳定直升机受干扰运动过程
眼 睛 大 脑
飞行员
胳 膊 手
驾 驶 杆
自动 倾斜 器
直 升 机
地平仪
自动控制稳定直升机受干扰运动过程
测 量 元 件 计算 放大 装置
自动驾驶仪
执 行 机 构
驾 驶 杆
自动 倾斜 器
直 升 机
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计 • 系统级设计要求——顶层系统通过功能、性能指标分解而形成的 对飞行控制系统的要求。 • 功能要求：自动飞行控制功能、地面遥控功能要求、状态检测与 故障处理功能、飞行管理功能、任务设备管理功能 • 性能指标要求:姿态航向稳定与控制精度和响应时间要求，高度 保持精度要求，空速保持精度要求、模态切换要求、抗风能力要 求、稳定余度要求等 • 接口交联关系要求:飞控系统与管理系统的机械、电气接口特性、 通信帧结构 • 地面监测与控制要求：遥测数据种类、数量、显示布局、处理方 法、指令设臵，功能、按键等等 • 设备安装要求 • 设备供电要求
大速度时
Pitchg
K P _ pitcch
速度保持解除
限幅 限幅 限幅
Longitudinal _ Pitch
Kq
限幅
1/s s
K I _ pitcch
限幅
俯仰手动解除
限幅
舵回路
K D _ pitcch
Ku _ b
ug
滤波 陷波 滤波 陷波

q
p
小速度时
K qp
角 速 率 陀 螺 垂 直 陀 螺 GPS
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3.机载计算机
• 3.1机载计算机功能
从飞行控制的角度看 1、姿态稳定与控制 2、导航与制导控制 3、自主飞行控制 4、自动起飞与着陆 从飞行管理的角度看 1、飞行管理 2、任务设备管理 3、余度管理 从信号处理的角度看 1、实现飞行控制模态的控制 和转换 2、实时计算控制律并生成相 应的控制指令 3、接受传感器输出的飞行状 态和飞行参数进行处理 4、飞行控制指令的输出与管 理 5、飞行控制系统与其他外部 系统的信息交换与管理 6、航路信息的预装定与存储 7、自检测并输出结果
小扰动线化模型
采用适当的理论进行参数设计 是否满足规定的指标要求 全量非线性仿真（非线性、滤波器） 是否满足规定的指标要求
半物理仿真试验（真实的飞控部件、强调实时）
是否满足规定的指标要求 试飞验证
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2.飞行控制系统设计
• •
•
控制律的切换 无人直升机在不同的飞行阶段需要采取不同的控制律，这必然存在前后两 个控制律之间的切换。为了抑制控制律切换引起的舵面跳变，避免大扰动、 大过载，需要采用控制律切换瞬变抑制措施。 1、双模态同步运算瞬变抑制
滤波 陷波
洗出滤波
Ku _ b
坐标变换
滤波
u
滤波
精确惯导组件
外回路前向速度控制结构图
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH
Rollg
K P _ roll
速度保持解除
限幅 限幅 限幅
Lateral _ Pitch
限幅
1/s s
K I _ roll
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2.飞行控制系统设计
• 2.1飞行控制系统的工作原理
直升机运动包括姿态运动和轨迹运动。
驾驶员驾驶直升机就是控制直升机的姿态运动 和轨迹运动。
飞行控制系统就是一个能够部分或者全部代替 驾驶员直接控制它的姿态运动和轨迹运动，并 能改善飞行品质的控制系统，即在无人直接参 与条件下自动地控制直升机飞行的一套控制系 统。
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2.飞行控制系统设计
• • • • • •
系统试验要求 飞行控制系统综合试验 飞行控制系统与交联系统联合试验 飞行控制系统与仿真系统综合试验 飞行控制系统半物理仿真试验 飞行试验
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2.飞行控制系统设计
• 2.3飞行控制律设计 • 飞行控制律设计是飞行控制系统的一个重要组成部分，它是指令 与各种外部信息到飞机执行机构的一种映射关系。飞行控制律的 设计就是确定这种影射关系，使无人直升机在整个飞行包线内符 合所要求的品质。飞行控制律的设计是根据系统研制任务和顶层 设计文件。 • 控制律结构——首先明确无人直升机的控制舵面：总距、油门、 横向周期变距、总向周期变距、尾桨距，根据对无人直升机的飞 行性能要求以及无控直升机的飞行动力学特性确定控制律结构。 • 下面给出一种无人直升机的控制律结构
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构
反馈控制器的内/外回路的结构图
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)
高度控制解除
限幅
手动解除
舵回路
H
Collective _ Pitch
2.飞行控制系统设计
基本功能
• 自动驾驶功能。如姿态保持，航向保持，高度 保持等。 • 改善直升机操纵性、稳定性（飞行品质）功能。 • 能够实现航迹控制、自动导航、自动着路、垂 直升降、自动悬停、自动过渡飞行等功能。
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2.飞行控制系统设计
• 2.2飞行控制系统的设计要求 在系统初步设计的基础上，结合通用规范的选择与剪裁，得出飞 行控制系统设计的纲领性文件，主要包括 系统级设计要求 控制律设计要求 机载计算机设计要求 传感器选择与安装设计要求 伺服作动设备设计要求 飞行控制软件设计要求 接口设计要求 系统试验要求等
第三章 无人直升机的飞行控制与管理 系统
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
主要内容
1.概述 2. 飞行控制系统设计 3. 机载计算机 4.导航与制导设计 5.飞行仿真 6.任务设备的控制管理
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1、概述
地位与作用：
飞行控制与管理系统是无人直升机的关键系统之一。 飞行控制系统是完成起飞、空中飞行、执行任务、返 场着陆等整个飞行过程的核心系统。对无人直升机实 现全权限控制与管理，对无人直升机的功能与性能起 关键决定性作用。
与有人直升机相比的特点： 1、飞行控制范畴不同 2、飞行控制功能与作用不同
3、飞行控制设计思想不同
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1.概述
组成：
传感器、机载计算机、伺服作动设备。
功能： 1、无人直升机姿态稳定与控制 2、自主导航飞行与航迹控制 3、起飞着陆控制
4、飞行管理
5、任务设备的管理与控制 6、应急控制 7、信息收集与传递
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2.飞行控制系统设计
• 接口设计要求 • 模拟量接口：阻抗匹配、电压、极性、单端差分输入 方式、转换精度、分辨率 • 开关量要求：接口间隔离、驱动能力、电平定义、阻 抗匹配 • 数字量：接口类型（rs232、rs485、arinc429），通 信方式，波特率、帧格式、屏蔽要求 • 频率量接口：频率量接口电平、极性、阻抗匹配、输 入输出频率范围、精度等
1/s s
K I _ roll
K D _ roll
限幅
滚转手动解除
限幅
舵回路
Kp
滤波 陷波 滤波 陷波

p
q
K pq
角 速 率 陀 螺 垂 直 陀 螺
滤波 陷波
滚转角外回路设计结构图
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH
大气数据 计算机
舵回路
Lateral _ Pitch
Kp
滤波 陷波 滤波 陷波
p
q
K pq
角 速 率 陀 螺
纵向和横向增稳控制回路
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构acah(w,pitch,roll,r)
Pitchg
K P _ pitcch
限幅 限幅 限幅
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2.飞行控制系统设计
• 传感器选择与安装要求 • 角速率传感器：测量范围、精度、输出特性、 带宽 • 姿态传感器：测量范围、精度、输出特性、带 宽、安装精度要求 • 高度、空速传感器（大气数据计算机）：测量 范围、精度、安装要求 • 位臵传感器：惯性导航、bd、glonass、gps
Kr
滤波 陷波
偏航角速 率陀螺
航向增稳控制回路
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)
俯仰手动解除
限幅
舵回路
Longitudinal _ Pitch
Kq
滤波 陷波 滤波 陷波
q
p
K qp
角 速 率 陀 螺
滚转手动解除
限幅
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计
• 伺服作动设备设计要求 • 性能要求：额定输出力矩、偏转范围、频带、 间隙和零位误差、跟踪精度 • 外形尺寸与安装要求：
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计
• 飞行控制系统软件设计要求 • 功能要求：上电启动与任务调度、输入输出处理、自 动飞行控制、遥控指令处理、构形控制、状态监测与 故障处理、导航控制与管理、遥测数据收集与编码发 送 • 性能要求：运行时间要求、存储量要求、控制精度要 求 • 接口要求： • 安全性要求：
t ts A(t ) C (t ) A(t )e a (t ts ) B(t )(1 e a (t ts ) ) t ts
• 2、单模态运算瞬变抑制
A(t ) t ts C (t ) K A (t ) A(ts ) B(t )(1 K A (t )) t t s 1 (t ts ) / Ts ts t ts Ts K A (t ) t ts T 0
Longitudinal _ Pitch
Kq
1/s s
K I _ pitcch
限幅
俯仰手动解除
限幅
舵回路
K D _ pitcch
滤波 陷波 滤波 陷波

q
p
K qp
角 速 率 陀 螺 垂 直 陀 螺
滤波 陷波
俯仰角外回路设计结构图
Rollg
K P _ roll
限幅 限幅 限幅
Late源自文库al _ Pitch
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2.飞行控制系统设计
• 控制律设计要求——由顶层设计中通过系统功 能、性能指标分解而形成的由控制律来实现的 功能和性能要求。 • 多模态控制功能要求：姿态、航向、高度等等 • 控制性能指标要求：控制精度与响应时间 • 稳定性要求：幅值裕度大于6db，相角余度大 于45度 • 模态转换瞬态要求：转换瞬态不引起较大波动
2.飞行控制系统设计
• 2.4发动机控制 • 无人直升机上的发动机控制一般可以分为开环控制和闭环控制。 开环控制仅适用于剩余功率大、转速稳定的微型无人直升机，其 优点是控制简单方便，但是控制品质差，对于飞行中可能遇到的 干扰扰动抑制效果差。目前发动机控制大都采用闭环控制：
前馈补偿 转 速 给 定 转速控制器 风门控制器 发动机 旋翼转速
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2.飞行控制系统设计
• 机载计算机设计要求——由飞控系统顶层设计 决定 • 外部接口要求：模拟量，数字量 • 计算机配臵要求：字长、运算速度、存储量、 采样频率、中断级别、定时器个数、编程语言、 余度配臵、自检功能等等 • 结构设计要求：结构形式、环境适应性、电磁 兼容性、维修性、安全性
KH
限幅
Hg
KH
S
滤波 陷波
大气数据 计算机
升降速率控制回路
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2.飞行控制系统设计
• 一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)
Collective _ Pitch
K col _ buchang
航向手动解除
限幅
舵回路
r
Tail _ Pitch
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计
• 精确引导设备的选择 1、全球定位系统 2、区域定位系统 3、地面辅助引导设施 4、视见引导 精确引导设备的存在为无人直升机的自主起飞与 降落提供了可能，要实现自主起飞与着陆，还 需要进行控制律的深入设计。
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
K D _ roll
限幅
滚转手动解除
限幅
舵回路
Kv _ b
vg
Kp
滤波 陷波 滤波 陷波

p
q
K pq
角 速 率 陀 螺 垂 直 陀 螺 GPS
滤波 陷波
洗出滤波
Kv _ b
坐标变换
滤波
v
滤波
精确惯导组件
外回路横向速度控制结构图
第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统
2.飞行控制系统设计
• 无人直升机的飞行控制律参数设计 • 无人直升机控制律参数设计是在确定控制结构的基础上进行的。