无人机自动起飞地面滑跑技术的研究与仿真

　　摘 要：针对无人机在自动起飞过程中，地面滑跑阶段的运动特性与空中飞行时不同的情况，通过详细分析无人机的地面转弯受力情况，建立无人机的地面滑跑侧向模型。采用操纵前轮偏转，设计自动起飞侧向控制律，以方向舵为辅助来纠正无人机滑跑过程中出现的侧向偏离，实现无人机地面滑跑侧向控制。并在Matlab/Simulink平台上对其仿真，仿真结果表明所设计的模型可用，控制律效果良好，满足设计要求。
　　关键词：无人机；自动起飞；滑跑技术；控制律设计
　　中图分类号：TP15文献标识码：B
　　文章编号：1004-373X(2008)22-136-03
　　
　　Research on UAV′s Ground Run Design in Auto Take-off
　　GONG Chao1,SONG Yuqin2,3
　　(1.Xi′an Coal Mining Machinery Plant,Xi′an,710032,China;2.College of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi′an,710072,China;
　　3.College of Electronics and Information,Xi′an Polytechnical University,Xi′an,710048,China)
　　Abstract：According to the different situation between ground run and flight of UAV,the lateral model of UAV ground run is built based on the detailed force analysis while UAV is swerving.A scheme of nose wheel steering control is adopted to design the lateral control laws of UAV ground run.The lateral deviation in UAV ground run is corrected by the assistance of rudder.The lateral control of UAV ground run is realized.The simulation model of lateral control of UAV ground run in Matlab/Simulink is given.The simulation results show that the model built is accurate and the designed control law has a good effect.
　　Keywords：UAV;automatic take-off;take-off run technique;control law design
　　
　　起飞和着陆是飞行的复杂阶段，飞机飞行的稳定性和可靠性是近几十年来世界航空技术发展所提出的一个急需解决的重要问题，对有人驾驶飞机来说它直接关系到机上人员的生命安全，对无人机来说关系到能否完成预定任务及安全返航回收。据统计表明，虽然起飞/着陆的时间只占整个飞行任务的2%~3%，但许多飞行事故都是发生在起飞/着陆过程中。频繁事故的发生使人们不得不重视起飞/着陆的自动控制方案设计，以保证飞机安全起飞，提高出勤率。
　　本文研究一种无人机自动起飞侧向控制系统，建立起飞的地面滑跑的侧向模型，并通过仿真验证该系统的鲁棒性。
　　
　　1 侧向滑跑模型的建立
　　
　　在建立无人机起飞滑跑运动方程时，为了简化计算，在进行运动学和动力学分析时，忽略了轮胎的弹性影响。采用的坐标系为英美坐标系。在无人机的侧向滑跑过程中，受到地面摩擦力和地面支反力的影响，地面滑跑的转弯受力如图1所示。
　　无人机侧向转弯运动原始微分方程组包括侧向力方程、侧向力矩方程、侧向位移方程和偏航角方程，考虑到无人机在地面滑跑时不会产生倾斜，根据图1所示的转弯受力分析图，因此可采用如下的平面转弯方程：
　　mdvdt=Ym+Yfcos ε－μsRfsin ε+Yα－mu0r+mYδwδw
　　Izdrdt=YfXfcos ε－μsRfXfsin ε－YmXm+Nα+Nδwδw
　　dψdt=r；
　　χ=ψ+β；y.＝Vsin(ψ+β)(1)
　　其中，v,u0为侧向速度和纵向速度；Yf,Ym分别为前后轮的侧向滑动摩擦力;Yα=Yα(β,r,V,δa,δr)为侧向气动力；Nα=Nα(β,r,V)为偏航力矩，Yδw,Nδw分别为导向轮伺服传动侧力系数和力矩系数；ψ,χ分别为偏航角、航迹方位角；y为侧向偏移距离；ε为飞机前轮与机体轴的偏角，右偏为正；δw为导向轮伺服机构角位移量；μs为机轮与地面的侧向滑动摩擦系数，一般取0.4~0.6。
　　对于本文设计的无人机起降滑跑，采用前轮纠偏的方案，假设驱动前轮转动的执行机构偏角δw与机轮偏转角速度ε的关系为：
　　δw=Kdεdt(2)
　　其中K为前轮执行机构传动比。
　　根据图1有如下关系：
　　ρ=Xm/sin β(3)
　　R=Xm/tgβ(Xm+Xf)/tg ε(4)
　　其中，ρ为无人机质心瞬时旋转半径；R为无人机质心与瞬时旋转中心的距离。
　　图1 无人机地面滑跑转弯受力分析图
　　联立式(2)和(3)，得:
　　tg β=XmXm+Xftg ε(5)
　　对式(5)求导得：
　　dβdt=XmXm+Xfcos2βcos2εdεdt(6)
　　无人机沿oxg轴的线速度与线加速度分别为：
　　Vx=Vcos(β+ψ)(7)
　　ax=dVxdt=dVdtcos(β+ψ)－Vsin(β+ψ)(dβdt+r)
　　无人机的转弯角速度与角加速度为：
　　dψdt=r=Vρ=Vsin βXm(8)
　　drdt=dVdtsin βXm+VXmcos βdβdt
　　由于前轮执行机构驱动前轮转动所产生的侧向加速度和偏航角加速度，由式(7)和(8)，经过推导得：
　　Vdβdt=VXmXm+Xf·cos2βcos2ε·dεdt
　　VXm(Xm+Xf)K δw
　　drdt=dVdt·sin βXm+VXmcos βdβdt
　　=dVdt·sin βXm+VXm+Xfcos βcos2βcos2εdεdt
　　dVdt·rV+V(Xm+Xf)Kcos βδw
　　根据上两式，可得：
　　Yδw=V(Xm+Xf)Xm
　　Nδw=IZV(Xm+Xf)Kcos β
　　并且在侧向力矩方程中的偏航角速率因子里面增加一修正项为：
　　Nr′=IZdVdt·rV
　　
　　2 无人机自动起飞控制率设计
　　
　　无人机在自动起飞低速地面滑跑过程中，当飞机经受侧风或因某一原因出现偏离跑道中心线的侧向偏差或者机头出现偏航时，就需要自动操纵偏转前轮，采用侧向转弯使无人机回到跑道中心线上，保持飞机航向运动，以顺利完成起飞着陆。
　　
　　由于无人机在地面滑跑过程中不会出现倾斜，所以相对空中飞行状态中的侧向控制，不能通过控制副翼产生滚转来纠正偏航。一般来说，起飞滑跑前半段借助于前轮操纵装置来保持滑跑方向，必要时采用主刹车系统，而后半段则采用方向舵来保持滑跑方向。
　　在本设计中，主要采用操纵前轮偏转、以方向舵为辅助来纠正无人机滑跑过程中出现的侧向偏离。
　　采用的侧向控制律为：
　　δr=kyy+kyiy
　　δw=kψψ+krr+kεε+kεiε+kywy+kyiwy
　　
　　3 仿真验证
　　
　　在Matlab/Simulink中，建立无人机地面滑跑侧向仿真模型，如图2所示。
　　图2 滑跑侧向仿真图
　　(1) 当t=10 s时，飞机偏离跑道中心线，侧向偏离距离y=2 m，所得仿真曲线如图3所示。
　　图3 侧向偏离仿真曲线(y=2 m)
　　(2) 当t=10 s时，飞机滑跑过程中出现偏航角偏差ψ=5°，所得仿真曲线如图4所示。
　　图4 侧向偏离仿真曲线(ψ=5°)仿真结果分析：
　　(3) 当t=10 s时，无人机滑跑过程中前轮出现偏转ε=5°，所得仿真曲线如图5所示。
　　图5 侧向偏离仿真曲线(ε=5°)
　　从图3～图5仿真曲线可以看出，当无人机在地面滑跑过程中分别出现侧向偏差y=2 m、偏航角ψ=5°及前轮偏转ε=5°时，自动控制系统通过操纵前轮偏转和方向舵偏转，能控制无人机回到跑道中心线上，纠正无人机的姿态，保持正确的起飞航向。
　　
　　4 结 语
　　
　　本文建立了无人机自动起飞过程中的横侧向地面滑跑模型，介绍了起飞侧向控制律的设计过程，采用前轮纠偏的方案，实现滑跑转弯，并通过在Matlab中仿真验证，结果表明建立的模型正确、所设计的控制律系统满足要求，效果良好。但由于数据有限，对起落架的影响进行了一定的简化，这一点需要进一步完善。
　　
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　　作者简介 龚 超 男,1971年出生，陕西西安人，西安煤矿机械厂工程师。主要从事采煤机电气系统的研制工作。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文