小型无人机地面目标飞行控制研究

小型无人机地面目标飞行控制研究

为了接收目标信息，通常需要探测卫星和跟踪卫星。然而，大型探测卫星只能扫描特定区域，大的跟踪卫星只能在目标以外移动，对移动目标和隐藏地面目标的跟踪和检测非常差。具有远距离滑动特性的小型无人机可以在高起飞机的情况下通过无动态滑动进入目标区域，从而打破了小型无人机在动态和飞行距离上的限制。大型无人侦察机的机载图像探测系统大多数采用两轴双框架结构,装在机腹,结构复杂,体积大,质量重.故采用了一种单轴光电探测系统,该系统装在机身左侧下方,单轴转动自由度同机体横滚自由度重合,同时配合无人机的航向控制,使光轴始终对准锁定目标,进行持续的盘旋探测.此单轴结构方案极大减轻了光电探测载荷重量,同时对精确的姿态控制提出了更高的要求.在大扰动环境下,姿态、位置的稳定性和精确性是能否完成持续盘旋跟踪任务的关键.故在传统经典PID(ProportionIntegrationDifferention)控制算法的基础上应用了一种带死区变增益PID自适应控制方法,有效地抑制了大扰动条件下对跟踪目标精度的影响,并在飞行实验验证中取得了预期的效果.1系统介绍1.1飞行控制策略该小型无人机机翼展长为3m,机身长为2m,起飞重量G=98N,有效载荷为3kg(单轴光电探测系统0.2kg),定常飞行速度为20m/s.飞机的布局形式为大展弦比机翼、V形尾翼的正常式布局.采用V形尾翼,将传统的平尾和垂尾合二为一,在满足全机稳定性的前提下,减小了尾翼的浸润面积,使尾翼的摩擦阻力和干扰阻力都得到显著减小.控制系统包括全球定位系统接收机、惯性测量单元、磁罗盘、气压计和导航/飞控计算机等.导航/飞控计算机将各传感器信息融合,通过采集、预处理进行导航解算、控制律设计及飞行任务管理.机载单轴光电探测系统将所拍摄实时图像分析处理,对指定目标相对于图像视场中心的横向、纵向误差传递给飞控计算机,飞控计算机输出指令角调整单轴所在自由度角度,并配合飞机航向修正视场横向误差,使跟踪目标始终位于视场中心(原理示意图见图1).1.2气动载荷参数根据飞行动力学方程组、角位置运动学方程组及线位置运动学方程组,对机体的位置、姿态和速度进行解算建模.在建立动力学模型时,需要对其气动力参数进行假设和估算,但小型无人机进行吹风实验难度较大.按照相关文献介绍,亚音速和低速常规布局飞机动力系数计算分为3部分:静导数计算、动导数计算和操纵导数计算,进行气动力导数计算的假设条件为:机翼为大展弦比机翼,机身按翼身融合体拟合,飞机纵横向解耦;升力主要考虑机翼升力,不考虑马赫数影响,纵向气动力矩主要考虑机翼和尾翼贡献;推力矢量保持在飞机的纵向对称面内,假设为等功率动力装置.1.3带死区和变增益控制采用了带死区变增益PID自适应控制,在传统PID基础上,对系统的模态进行划分,对每段采用不同的控制方法.带死区是克服发动机工作时由于振动而引起的抖舵现象,同时避免控制过于频繁而引起的振荡.变增益控制主要是克服在大扰动情况下造成无人机姿态、位置突变,从而采用分段处理,能够迅速抑制大扰动的同时,又兼顾系统的控制稳定性和精度.2旋转跟踪地面目标计划2.1可执性误差分析无人机左侧安装单轴光电系统,发现目标进入视场后转入以预定点O为中心、高度为200m、半径为300m的盘旋运动,航向角指令与盘旋半径可由导航程序根据中心点及飞机自身位置计算给出,中心点O的位置可根据飞机自身位置、高度及光电单轴俯仰偏角推算给出.根据所选光电系统的镜头焦距、镜头尺寸,可推算出视场角及可视范围(见图2).图像中心线的可视宽度为153m,依图像可识别最小目标像素计算可跟踪物体的大小宽度为3m,基本满足要求.2.2控制装置的设计2.2.1无人机高度保持控制回路纵向跟踪回路消除所跟踪目标偏离视场中心的纵向误差ey.目标的运动以及机体横滚角γ的变化都会产生视场纵向误差,根据ey控制单轴转动消除误差量,由于单轴自由度同机体横滚自由度重合,故按横滚角速率ωx反馈给单轴进行速度控制,提供增稳.如图3所示,纵向跟踪回路的内回路为速度反馈回路,ωx作为内回路的速度指令,单轴角速度ωq作为反馈控制量,Kωq为单轴角速度控制比例系数.外回路为角度反馈回路,ey作为外回路指令,单轴角度q为反馈控制量,单轴光电探测系统控制直流电机调整光轴纵向指向,从而消除ey.PID控制器的比例系数和积分系数分别为Keyp和Keyi.同时,无人机的高度保持精度也直接影响纵向跟踪效果.高度保持控制通道(见图4)包含3个回路:俯仰阻尼内回路、俯仰角保持回路和高度控制回路.俯仰阻尼内回路通过俯仰角速度ωy进行反馈,构成俯仰角阻尼内环,并根据组合导航输出的俯仰角ϑ反馈构成俯仰角控制外回路.Kωy和Kϑ分别为俯仰阻尼比例系数和俯仰角控制比例系数.高度保持回路位于最外层回路,通过设定的高度值Hc和组合导航的输出高度值H形成高度偏差ΔH=Hc-H,从而转换成相应的俯仰角指令.俯仰角指令要加入指令限幅,防止出现无人机的过大机动动作.PID控制器的比例系数和积分系数分别为KHp和KHi.2.2.2pid控制器k个人k出现a为专门偏控制器,kad横向跟踪回路(图5)消除视场横向误差ex,当航向角ψ受到扰动时,目标会在横向偏离视场中心.航向控制可以通过偏转方向舵或副翼舵协调控制,对于该控制回路,ex作为航向控制指令直接控制方向舵偏角δr,航向角速度反馈ωz为航向阻尼内回路,Kωz为航向阻尼比例系数.PID控制器的比例系数和积分系数分别为Kexp和Kexi.如图6,根据ΔR=Rc-R半径偏差控制通过偏转副翼舵偏角δa控制γ协调转弯,ωx为阻尼内回路,Kωx和Kγ分别为横滚阻尼比例系数和横滚角控制比例系数.半径回路PID控制器的比例系数和积分系数分别为KRp和KRi.2.3旋转式横向误差控制由于探测光轴指向飞机侧下方,与机身水平面有夹角,故飞机的俯仰运动不仅使图像发生旋转,而且使纵向误差、横向误差发生耦合.为了尽量消除耦合,适当放松对盘旋半径控制,降低扰动对机身的作用力矩,使横向误差的调节为缓慢过程;同时增大俯仰阻尼的增益,降低高度回路的带宽,对俯仰通道的控制放宽死区门限,防止俯仰角的频繁动作.3控制参数调整巡航速度为20m/s,最大横滚角限定为30°,最小转弯半径为70m,实验当天通过手持风速计测量有约6.5m/s阵风.实验分为2步进行:①接通控制系统的纵向通道,对俯仰角、高度回路和纵向误差修正进行验证和调试,调整控制参数;②接通横向通道,对盘旋半径和航向角控制进行验证和调试,用以修正横向误差,调制控制参数,以达到相对最佳的跟踪控制效果.实验结果表明(图7、图8):在跟踪目标的过程中,飞行轨迹近似为以半径为300m的圆,高度保持在200m.跟踪目标的横纵向最大误差角为5°,稳定跟踪时横向误差在±1°以内,纵向误差在3°左右.表1~表4列出了带死区自适应PID控制器的控制参数.视场角的大小也直接影响到跟踪目标的效果,增大视场角有利于扩大搜索目标范围,同时使目标不易脱离视场,在一定程度上增大了抗扰能力.但视场角过大将使目标不易辨别,根据光学探测系统的性能指标,图像中目标大小应大于10像素.4带死区变增益pid自适应控制仿真实验本文研究了一种基于单轴光学探测器的小型无人机跟踪探测地面目标飞行控制系统.该