第七讲航迹引导控制及无人机控制工程

1、飞行系统第七讲航线改变引导及无人机工程导航所 方舟2011-11-1本讲提纲转入规定的基准线纵向运动的综合航迹规定航迹的生成无人机的复习工程转入规定的基准线以柔和过渡的方式无超调地完成Dr< 0; DY = Y - Yc < 0kY > 0; kr > 0析分何如纵向运动的综合航迹回顾：单项器空速高度器器水平航迹器如果：在着陆进近中，以较高的速度飞行在规定航迹下，则左边的何反应？系统会如纵向常规系统缺点：未考虑位能与动能合 理的转化常规的非协同系统现代纵向耦合系统须经由计算机系统实现注意，耦合器不采用串级为什么？结构，航迹系统的结构结构如何确定结构？选择反馈变量律的形式

2、1.TTx= Vaq ag Hy= VaqQ bVbWWKKKAAxz2.律的一般形式选择误差积分増维v = éVAc ù - éVAù .u= -K x- K y+ Jv+ HwêH úêHúxyëc ûëû续上页一般采用参数数值寻优的方法来进行其综合3.简化律u= éFù = é0?ù x+00? 0000?00?00êhúê0?úëûëé?û

3、?ù y+ê?úëé?û?ù éVAc ù .?ù v+ é?ê?úê?ú êH úëûëû ëc û4.系统的考虑系统的时间常数远小于被控对象，可以忽略，否则，被控对象应増维包含态，比如：环节动K1hh= -h+d .hTThh实例：Boeing707的纵向组合航迹系统èø3ugggfg4.使用数值优化求解控制律 非线性部分说明：1：升降舵配平：

4、i=1h when i£ i £ iHsTHminHHmaxTR2：着陆襟翼偏度：k =1 (a-a) when 0 ³ k ³ kLTsGrenzLLmaxL3：打开扰e流板f规定轨迹的生成（1）垂向航迹生成的模型= a= 0,xmwhen w>xm= bwhen w£xm效果xmxm实现框图50454035302520151050051015续上页以固定的度引导上升飞行，并在一个规定的高度上终止上升飞行，可以用如下生成轨迹：= b= -awhen x£ x1whenxmxme110100908070605040300510续

5、上页如果将上述两个过程连接起来：在阶段IV，切入高度保持飞行航路点的连接Step1：航路点连接的预处理PkPk+1PC ase 1:不要求过点的航路点连接kPk-1PkPk+1Pk+ 2C ase 2:要求过点的航路点连接Pk-1续上页Step2：确定航路连接点（即何时开始作航向机动）首先确定航迹方位角的角速率：c= 2 secc然后由下式确定图中的XS：据此计算连接点PZi-1实际还需为过渡过程实际的转入过程转入新的基准线过程中，侧向偏差达到门限 DDmin 时切换使用线性基准线保持控= k1c + k2D + k3D制律，如：Fc实际的转入过程（2）如远离规定航迹，则按下图所示转入：航路点

6、的垂直航迹机动注意：折点处用弧线连接航迹概念：4D-航迹的延伸要求在预定时刻到达固定位置优化航迹点地点相关的垂直航迹引导概念图无人机的工程无人机工程的内涵与外延无人机相关技术飞控系统开发流程典型无人机上的系统什么是工程定义：处理自动对自动系统各种工程实现的综合性工程技术。系统提出要求（即规定指标）、进行设计、构造、运行、分析、检验等各个过程。特点：工程性：关心技术的可实现性、可靠性、题；性等工程问综合性：运用的综合技术外延：。了工程实施的各个过程中涉及的所有技术。无人机工程飞 控 相 关 技 术其他技术飞行健康管理仿真验证技术系统实现技术控制器设计系统动态建模传感器技术与导航无人机的传感器状态

7、传感器：见右表。其他传感器：舱温传感器、油箱液位传感器排气温度传感器等等占无人机总成本的50%！陀螺角速率度计线度GPS位速空速管空速、气压计气压无线电高度表相对高转速传感器发转速迎角传感器迎角导航：多传感器信息融合融合的目的：实现对飞机飞行状态：姿态、速度、位置、高度等的实时精确估计；为器提供优质可用的反馈信息。组合导航：惯导与的组合；惯导与无线电的组合；图像与惯导的组合。滤波融合算法：基本Kalman滤波、EKF、UKF、互补滤波等。使用单一传感器是盲人摸象！小型无人机的导航基于MEMS器件的低成本惯性导航系统；小、低功耗的集成技术以及组合导航算法；MEMS惯性测量单元视觉辅助的无缝导航技

8、术。动态建模干 扰 w动态模型：一组反映对象受控下运动规律的微分方程。输 出 y输 入 u面向的模型：ìx=A(r(t),d(t)x+B(r(t),d(t)u线性？非线性？定常？时变？ 不确定性描述？íîy=C(r(t),d(t)x带不确定项d 的时变参数r 依赖的线性模型可描述非线性、不确定对象模型复杂度的选择：越细节越好？6度够吗？直升机、太阳能飞机、高超声速飞行器x = f (x,u, w) y = g(x,u, w)系 统建机理建模 （白箱）对对象运刻了解理的全面、深辨识建模 （黑箱）辨识三要素：辨识数据、模型类、等价准则灰箱建模 （灰箱）局部先验知识+试

9、验辨识无人机的常用建模固定翼无人机：总体部门提供各个下，经风洞吹风试验导数等）；据此建立各个后的全部气动导数下的飞机横纵向（性导数、小扰动模型。属于白箱建模。旋翼无人机：吹风试验对于旋翼气动力学意义不大，机理计算十分复杂，工程上通过扫频实验进行辨识建模是一种常规。器设计稳定压倒一切！设计反馈律，达到如下目标：ü 镇定被控对象；ü 使被控对象按人的意愿运动。器设计ü 建立性能指标；律综合；是一个反复迭代的过程！ü 闭环性能分析。指标指标的来源：ü 飞行器飞行品质军标：MIL-STD-1797、ADS-33E等；ü 使用的要求；ü

10、; 设计者的经验：无人机飞行品质目前无通行标准。指标的分类：ü 时域指标：上升时间、时间、超调量、稳态余差等。ü 频域指标：带宽、阻尼比、相位裕度、幅值裕度等。ü 指标函数：二次型、H等律综合（一）经典的SISO系统根轨迹法； 频域综合法；PID参数整定的。律综合：；可满足绝大多数无人机器设计的需要。优点：分析、计算及调参相对简单，易于实施。缺点：难以处理MIMO系统的律设计。律综合（二）基于现代理论的时域综合：极点配置法、特征结构配置等。二次型最优：是现代理论最的应用之一；在F-8C、X31机上使用。缺点：不能处理对象的不确定性和非线性带来的新。律综合（三）先进

11、 对象的鲁棒鲁棒H2/H非线性Backstepping：主要处理不确定、非线性、综合法。、神经自适应动态逆中得到等。应用。后者在大迎角超机动飞行的飞行也是是各种先进算法的试金石，理论与发展的直接推动力！闭环性能1.81.6评价V = 0.125V = 0.375V = 0.751.4直观定性评价：1.210.8阶跃响应曲线0.60.40.2时频域指标对照表；0024681012基于Monte-Carlo技术的鲁棒性能定量评价。试验设计项目设计指标实际指标带宽>6 rad/s8.2 rad/s阻尼比0.40.70.62实现技术硬件开发技术的架构选择：X86、DSP、ARM、PPC等； 接口

12、及电路设计：串口、Can总线、GPIO等。开发技术主开发环境与开发语言：C、C+等；实时操作系统支持：VxWorks、QNX等。软硬件的可靠性设计硬件的余度设计、环境适应性测试；的第认证。技术（一）全数字：律的鲁棒性和逻辑的正确性9r技术（二）ElevatorA ile ro n半实物飞控系统、导航系统、舵机、数据链路等均采用实物；飞行动态Navigation inform ation InteractionR udder和大气环境采用硬件在回路模型，Run in dSPACE simulator。可模拟各种任务剖面、环境条件和故障模式。目的：Flight Com puter机载系统全部管理功

13、能的正确性和逻辑可靠性。原则：尽可能采用真实部件；3D RotatorEuler Angles天上，地面解决；Ground Station确保“万无一失”！By典型的半实物系统连接图Engine & E C UR P MNonlinear simulation mEnvironment m无人机的健康管理第一层次：故障检测与容错传感器故障：状态信息重构执行器故障：律重构不可控故障：紧急回收第二层次：故障与视情保障面向障活动的实际状态和发展趋势来安排维修保病之病已医医下病之病欲医医中其他技术远距离可靠通信技术时延？多机协同技术。多机协同假象图常规的无人机系统开发流程总体指标要求飞控相关指

14、标 、可 靠 性 指 标系统初步设计系统详细设计总体给出气动计算数据建 立 模 型硬 件 选 型需求分析建立环境硬件开发及集成详细设计及 数 字律及逻辑设计半实物环境建立及半实物试 飞飞控开发典型无人机系统中的系统飞行系统：姿态、航迹、速度等发系统：转速舵机系统：位置伺服舱温保持系统：适应高空飞行条件任务的管控系统：云台等回收的管理：伞、气囊等以为中心的无人机系统开发流程谁是主角？无人机水平分级图摘自2005年美国国防部无人飞行器系统路线图：20052030理论与区别：工程的区别与按需复杂化可天马行空专其一点 创新为先：VsVs VsVs化繁为简带着镣铐跳舞广撷众彩可靠至上理论发端于工程实践并在实践中接收检验；工程实践的难题需要理论的创新来解决!无人机飞行无人直升机无人机复