小型无人机纵向飞行品质研究_王鹏

无人机纵向自动控制毕业设计

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第一章绪论

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

无人机技术是一项涉及多个技术领域的综合技术，它对通信、传感器、人工智能和发动机技术有比较高的要求。如果在恶劣环境下作战，它还需要有比较好的隐身能力。无人机与所需的控制、拖运、储存、发射、回收、信息接收处理装置统称为无人机系统。

无人机种类很多，不同的无人机可以完成不同的特殊任务。军用无人机的主要用途包括：战术侦察和地域监视、目标定位和火炮校射、电子侦察和电子干扰、通信中继转发、靶机和实施攻击等。与有人飞机相比，无人机具有多种优势：

1、由于机上没有驾驶员，因此可省去驾驶舱及有关的环控及安全救生设备，从而降低飞机的重量和成本。

2、无人机在作战时不会危及飞行员，更适于执行危险性高的任务。

3、由于机上没有驾驶员，飞机可以适应更激烈的机动和更加恶劣的飞行环境，留空时间也不会受到人所固有的生理限制。

4、在使用维护方面，无人机比较简单，而且费用低，操纵员只需在地面进行训练，无需上天飞行。

无人机从产生到现在已有多年，早在70年代西方就产生用无人机进行对地攻击和格斗空战的构想，在美国还进行了大量飞行试验，但是由于技术上的难度，使这些构想无法实现。

无人机存在的致命弱点主要有两个：一是自主作战能力差，由于- 2 -

无人机执行任务时需要有人参与遥控，其自主作战能力有限，因而缺乏有人飞机所具有的灵活性和适应能力。二是完成任务的有效性低，由于控制人员对无人机所处环境的了解必须借助远距离通信，而这种远距离通信又随时会被压制而中断，从而造成了人机之间无法及时、准确交流信息，影响了无人机完成任务的有效性。

小型无人机舵机传动的模态分析

第３３卷第２期　四川兵工学报　２０１２年２月　

【机械制造与检测技术】　

小型无人机舵机传动的模态分析　

王涛，徐春雨，张登霞　

（解放军陆军军官学院，合肥２３００３１）　

摘要：以ＤＣＤ一１３型舵机机械传动系统为研究对象，基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ及其插件ＧｅａｒＴｒａｘ对其进行三维建模，利用ＡＮＳＹＳ对　

其模态进行有限元求解。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参考指标，模态分析可以确定一个结构的固有　

频率和振型。针对静态线性模态分析方法不能满足舵机高速旋转和频繁变速的实际工作情况，通过求解两种临界状态的固　

有频率，确定该系统固有频率的范围，有效地解决了类似问题。　

关键词－ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓｄＧｅａｒＴｒａｘ／ＡＮＳＹＳ；舵机传动；三维建模；模态分析　

中图分类号：ＴＨ１３２．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—０７０７（２０１２）０２—０Ｏ６４—０４　

舵机是控制无人机（ＵＡＶ）系统的伺服机构，作为控制无人　

机飞行姿态和轨迹控制的关键部件，其性能的好坏直接影响着　

飞行控制系统的性能和飞行安全…。舵机作为各舵面的操纵机　

构，在无人机的飞行过程中，处于不断的调节状态，可能会产生　

各种失效，可能导致无人机不能顺利完成飞行任务。本文以　

ＤＣＤ一１３型舵机为研究对象，主要针对该舵机的机械部分，重点　

是其齿轮传动系统进行模态分析，为舵机的使用、维修保障以及　

开发提供相应的理论指导。　

模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性，同时　

模态分析还是其它动力学分析（如谐响应分析、瞬态动力学分析　

及谱分析等）的基础。在小型无人机舵机的齿轮传动中，对齿轮　

进行模态分析，可以确定结构或机械传动部件的固有频率和振　

型，使设计者避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的　

激励，从而避免产生共振，提高飞机操纵稳定性、飞行安全性。　

有限元法是当今解决工程问题和数学物理问题中应用最广　

泛的数值计算方法，它具有对复杂几何构形的适应性和对各种　

固定翼无人机的姿态控制技术研究

一、引言

随着无人机的应用场景不断扩大，无人机技术的研究也日渐深入。固定翼无人机是一种常见类型的无人机，具有载荷量大、长航时、高速飞行等优点，被广泛应用于航拍、测绘、搜救等领域。其中，固定翼无人机的姿态控制技术是整个无人机控制系统中的核心。本文将对固定翼无人机的姿态控制技术进行研究和总结。

二、固定翼无人机的姿态控制

姿态控制是指在无人机航行过程中，通过控制无人机的姿态，使其沿着预定航迹飞行、完成特定任务。固定翼无人机主要有三个自由度：旋转角度、俯仰角、滚转角，姿态控制就是对这三个自由度的控制。固定翼无人机的姿态控制需要解决以下问题：

1、姿态控制模型

姿态控制需要建立相应的数学模型，来描述无人机的运动。基于这个模型，可以建立控制算法进行姿态控制。在建立模型时，需要考虑以下因素：

（1）固定翼无人机的结构和机动特性；

（2）外部环境因素对无人机的影响，如空气动力学效应、风、气流、温度等；（3）控制器的性能和特性；

（4）陀螺仪、加速度计等传感器对无人机姿态测量的误差。

2、姿态控制算法

姿态控制算法是控制无人机沿着预定航迹飞行的关键。目前，常用的姿态控制算法有以下几种：

（1）PID控制算法

PID控制算法是目前应用最广泛的控制算法之一，其核心思想是通过对误差信号的反馈调整控制量，实现目标信号与实际信号的高精准度匹配。PID控制算法具有简单易用、鲁棒性强等优点，但调节比较困难，且不适用于非线性系统。

（2）自适应控制算法

自适应控制算法根据系统的动态特性，不断调整控制量，以获得更好的控制效果。自适应控制算法能够自动学习控制参数，适用于复杂的非线性系统，但计算量大，实现难度也较大。

（3）鲁棒控制算法

鲁棒控制算法是一种基于系统鲁棒性的控制算法，能够适应系统参数变化、干扰等问题，并保持系统的稳定性和鲁棒性。鲁棒控制算法适用范围广，但需要在模型研究和算法设计阶段考虑更多因素，在实践中应用难度较大。 3、姿态控制实现

垂直起降固定翼飞翼布局无人机过渡飞行纵向稳定性研究

２０１１年８月　第２９卷第４期　西北工业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｕｇ．　２０１１　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．４　

垂直起降固定翼飞翼布局无人机过渡　

飞行纵向稳定性研究　

祝小平　，王　睿　，周　洲　

／１．西北工业大学无人机研究所，陕西西安７１００７２　＼２．西北工业大学无人机特种技术国家级重点实验室，陕西西安　

摘要：针对由两个主涵道风扇和一个前涵道风扇组成垂直升力部件的垂直起降固定翼飞翼布局无　

人机，估算出风扇推力和喷流／机翼的诱导气动力，考虑到过渡飞行过程的气动干扰明显和配平控制　

量变化较大的影响，并且为了防止无人机进入失效陡壁，提出一种预置飞行迎角加速到安全速度后，　

先关闭主涵道再关闭前涵道风扇的过渡飞行控制策略，分析了无人机平飞速度、涵道风扇入口来流、　

出口喷流对配平和过渡飞行纵向稳定性的影响，得到了涵道风扇的作用减小了过渡飞行的短周期稳　

定性、增加了长周期的阻尼的结论。　

关键词：涵道风扇，固定翼，垂直起降，诱导气动力，过渡飞行；稳定性　

中图分类号：Ｖ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—２７５８（２０１　１）０４－０５４８－０６　

具有垂直起降功能的固定翼飞机，既有直升机　

垂直起降的优点，又有固定翼飞机巡航速度高的优　

点，是未来飞机发展的一个重要方向。国外从上世　

纪６０年代起就开始有垂直起降方面研究　，典型代　

表之一是Ｃｙｐｈｅｒ涵道风扇无人机，不过其飞行原理　

更接近直升机而与固定翼飞机差别较大。另一个代　

表是Ｘ－２２倾转涵道飞机　Ｊ，其过渡飞行通过四涵道　

的倾转实现，因此飞行原理也接近于涵道无人机和　

倾转旋翼飞机。另一个代表是已经装备部队的Ｆ一　

３５Ｂ先进战斗机　，其主升力源是偏转的发动机尾　

喷口，升力风扇只是起辅助作用。在国内，对以涵道　

风扇作为垂直升力部件的飞机研究，主要集中在涵　

道无人机上，如文献［４～６］。　

无人机纵向控制律设计以及纵向轨迹跟踪仿真研究

第１１卷第３６期２０１１年１２月　１６７１—１８１５ｆ２０１１）３６－９００８—０４　科学技术与工程　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０Ｉ＿ｌ１　Ｎｏ．３６　Ｄｅｃ．２０１１　⑥２０１Ｉ　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　

航空航天　

无人机纵向控制律设计以及纵向　

轨迹跟踪仿真研究　

刘　烨王新民周　健　（西北工业大学自动化学院，西安７１０１２９）　

摘要利用经典ＰＩＤ理论设计无人机纵向双通道控制律，用以跟踪能量状态法优化出的无人机纵向最优轨迹。首先通过在定　常直线无侧滑模态下对无人机数学模型进行配平线性化，将飞机运动分解为纵向运动和横侧向运动。再利用经典ＰＩＤ理论对无　人机纵向运动的俯仰回路和推力回路进行控制律设计。然后通过能量状态法优化出一条无人机纵向爬升、巡航和下降的最优轨迹。　最后，用ＭＡＴＬＡＢ进行轨迹跟踪仿真计算。仿真结果表明，设计出的控制律可以很好的跟踪优化出的最优轨迹，并且节油效果良好。　关键词无人机　纵向控制律　能量状态法　轨迹跟踪　中图法分类号Ｖ２１２．１３；　文献标志码Ａ　

无人机相对有人机的最大差别就是无人驾驶。　

现阶段，大部分无人机一般都是在飞控系统控制下　全自主飞行，因此，其飞控系统的作用以及飞控系　统控制律的设计就显得非常重要。而随着国防事　

业的不断发展，对无人机飞行精度的要求也越来越　高，对无人机进行轨迹优化时往往期望无人机在达　

到某个特定高度时同时保证特定的速度，因此在纵　

向控制律设计方面需要同时控制速度和高度，无论　是何湘智在文献［２］，张琳在文献［３］还是秦玮在文　

献［４］中对无人机的纵向控制律设计时都只考虑了　无人机纵向运动的舵机回路，而没有考虑无人机纵　向运动的推力回路，因此只能在某个时刻对一个量　进行控制。而王群伟在文献［６］对无人机进行轨迹　

优化只给出优化结果，并没有给出确定的无人机模　型进行轨迹跟踪的仿真。本文进行纵向控制律设　计时同时考虑两个回路，用舵机回路控制高度，推　

基于JSBsim的小型无人机飞行控制仿真系统[权威资料]

基于JSBsim的小型无人机飞行控制仿真系统

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【摘要】针对传统飞机动力学模型通用性差、代码执行效率低的问题。综合JSBSim、MATLAB软件的优点，提出

基于某小型无人机的飞行仿真系统。新设计的系统具有通用

性强、运行速度快、易操作性、数据精度高、便于二次开发等优点。

【关键词】无人机建模 JSBSim MATLAB 飞行控制

1 引言常规的无人机建模通常是基于Matlab/Simulink的建

模存在模型通用性差、开发效率低等问题。使用JSBSim建模

时，只需重新配置XML格式的模型规格文件，就可以实现对不同机型的仿真，同时可以将研究集中在控制律设计。

由于JSBSim飞控模块相对有限，无法实现某些控制算

法。基于模块化设计思想，分别利用JSBSim软件建立了飞行动力学模块、MATLAB软件设计了飞行控制模块，为飞行品质

的评估提供仿真平台。

2 可视化飞行仿真系统设计本文采用模块化的设计思想完成了仿真平台的搭建。

由于飞机系统是一个非常复杂的系统，因而研制全新的仿真

无人机系统将是一个非常复杂的过程。首先，采用JSBSim软件完成对某型无人机气动力的建

模；其次，采用MATLAB与C++混合编程技术，编写C++MEX S

函数模块实现了对JSBSim软件的调用和数据通信；再次，在MATLAB环境中设计有效的飞行控制系统。

3 基于JSBsim的无人机建模 JSBSim是一个开源的、支持多平台的、由数据驱动的

飞行动力学模型框架。由C++语言编写，能够支持各类型的航空器仿真模型。本文基于开放的JSBSim-XML标准，利用XML

技术实现对运输机灵活的建模。

对于JSBsim的建模，其模型为xml的配置方式实现，可以用JSBSimCommander辅助对xml文件进行配置，包括飞

机外形、质量、发动机参数、推进系统、空气动力系数等，

完成模型的建立。 4 Simulink飞行仿真平台搭建

某型无人机纵向运动静稳定性分析

龙源期刊网

某型无人机纵向运动静稳定性分析

作者：郭道通柯宏发冯建锋

来源：《科技风》2018年第30期

摘要：无人机在未来信息化战争中发挥的作用日益明显，为了保障无人机的安全飞行，对无人机的稳定性研究非常关键，无人机的稳定性取决于其自身的气动特性和结构参数，是衡量无人机飞行性能的重要指标。为了分析某无人机纵向运动的静稳定性，建立了无人机运动学及动力学数学模型，利用小扰动法对其纵向运动方程进行了线性化，根据线性化方程，在给定气流扰动情况下，利用Matlab仿真工具对无人机纵向运动参数的变化情况进行了分析，并得出了其纵向静稳定性的一般结论。

关键词：无人机；静稳定性；线性化模型；运动方程；小扰动法

1 绪论

在以信息战为主要特征的最近几次现代局部战争中，用无人机执行侦察监视、目标定位、骚扰与诱惑、电子干扰、战场评估和火炮校正等任务，取得了相当好的战果，人们越来越认识到它的巨大作用与潜力。

无人机的稳定性取决于其自身的气动特性和结构参数，是衡量无人机飞行性能的重要指标。具有良好飞行稳定性的无人机，在其飞行过程中受到小扰动时不致于出现大幅振荡，有利于无人机的安全，因此，研究无人机的运动稳定性是非常必要的。对于无人机来说，我们将其静稳定性的概念定义为：无人机作定常运动时，在没有控制输入作用的条件下，受瞬时小扰动后，受扰的運动参数能否自行回到初始运动状态的性能，如果受扰运动参数能够回到初始状态，则称其具有静稳定性。本文即是对某无人机飞行稳定性的一个方面，即纵向运动的静稳定性进行了建模与仿真分析。

2 无人机纵向运动数学模型的建立

2.1 坐标系选取及参数意义

本文沿用传统的无人机建模坐标系选择方法，以无人机起飞点为原点的地面坐标系、以无人机体积中心为原点的机体坐标系和速度坐标系。机体坐标系中，沿ox、oy、oz轴向的速度分别用u、v、w表示，绕ox、oy、oz轴的角速度分别用p、q、r表示，绕ox、oy、oz轴的转动惯量分别用Ix、Iy、Iz表示，对xoy、yoz、xoz平面的惯性积分别用Ixy、Iyz、Ixz表示。无人机的姿态角，即俯仰角、偏航角、滚动角分别用θ、ψ、表示，无人机的迎角和侧滑角分别用α和β表示。龙源期刊网

微小型旋翼无人机噪声适航测试研究

•机械研究与应用 • 2020年第6期（第33卷，总第170期)研究与试验

doi ： 10.16576/ki. 1007-4414.2020.06.016

微小型旋翼无人机噪声适航测试研究

夏天\郭少杰2

(1.天津电子信息职业技术学院，天津300350; 2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300)

摘要：为建立微小型旋翼无人机的飞行过程中噪声测试方法，参考相关的适航文件，对某型号微小型无人机进行飞行状态下的噪声数据测试，共进行5组不同飞行高度下的声暴露级测试。研究表明，由于环境对于噪声的吸收反射等因素，飞行高度过高时，微小型无人机的噪声测试数据有效性无法得到保证，无法获得有意义的声暴露级计算数据。当高度调整为50 m时，无人机噪声数据有效。而当飞行高度调整为10 m和5 m时，满足民用航空器噪声适航相关文件的其他要求。因此，调整旋翼无人机飞行到合适高度所测得的声暴露级数据可供旋翼无人机噪声分析以及为后续的适航审定工作提供参考依据。关键词：噪声；声暴露级；适航；旋翼无人机t图分类号：TB52+2 文献标志码:A 文章编号：丨0〇7_4414(2020)06-0059-05Research on Noise Airworthiness Test of Micro-Rotor Unmanned Aerial Vehicle

XIA Tian', GUO Shao-jie2

(].Tianjin Electronic Information College，Tianjin 300350，China;2.China Automotive Technology Research Center，Tianjin 300300, China)Abstract： In order to establish the noise test method of the micro-rotor UAV during flight, referring to the relevant airworthiness documents, the noise data of a certain type of small UAV at flight state are tested； totally 5 groups of sound exposure level testing at different flight altitudes are carried out. The research shows that when the flying altitude is too high, the effective- ness of the noise test data of the micro-UAV cannot be guaranteed and the meaningful sound exposure level calculation data cannot be obtained due to the factors such as the absoiption and reflection of noise in the environment. When the height is adjusted to 50 meters, the UAV noise data is valid； while when the flight altitude is adjusted to 10 meters and 5 meters, the data meets other requirements of civil aircraft noise airworthiness documents. Therefore the sound exposure level data measured by adjusting the rotor UAV flight to a suitable height can be used for the noise analysis of rotor UAV and the reference for the subsequent airworthiness certification.Key words： noise； SEL； airworthiness； UAV

姿态遥控模式下的无人机短周期特性辨识仿真研究

王亚龙; 尹文强; 祁圣君

【期刊名称】《《航空科学技术》》

【年(卷),期】2019(030)008

【总页数】6页(P60-65)

【关键词】无人机; 姿态遥控; 短周期; 遗传算法

【作者】王亚龙; 尹文强; 祁圣君

【作者单位】中国飞行试验研究院陕西西安 710089

【正文语种】中文

【中图分类】V271.4

现代无人机正常飞行时采用全自动/自主控制模式，而当外回路或者内回路故障后，必须切换到遥控模式以确保无人机飞行安全以及任务的完成。遥控方式有舵面遥控、姿态遥控、角速率遥控、过载遥控、人工修正等多种控制方式。由于链路时间延时以及驾驶员实际感知问题，当驾驶员采用舵面遥控方式操纵现代无人机时，容易引发驾驶员诱发振荡(PIO)等影响飞行安全的情况。因而现代无人机在应急情况下多采用过载遥控、角速率遥控、人工修正、姿态遥控等具有内环控制律的控制模式。

针对遥控模式下的无人机飞行品质评价，国内外学者开展了大量的研究。王锋等对比了采用姿态遥控模式以及角速率控制模式着陆时的控制效果，经驾驶员评述以及数据分析表明姿态遥控模式具有控制精确、驾驶员工作负荷小、不易产生PIO等优势[1]。黄成涛等参照有人机飞行品质分析方法，研究了遥控模式下的无人机纵向飞行品质，表明链路延时对短周期特性影响较小，但是容易引发PIO[2]。国外学者Holmberg、Cottingy 等研究了无人机飞行品质设计标准以及分类方法[3，4]。而目前阶段具有复杂控制系统的电传飞机飞行品质评价多参考MIL-STD-1797 以及GJB 2874中的评价方法，采用低阶等效拟配的方法对其模态特性进行辨识，并参考GJB 185—1986进行评价。王立新、刘朝君等研究了飞翼布局飞机的模态特性拟配方法[5，6]，并采用试飞数据得以验证。

姿态遥控作为一种新型的遥控方式、目前尚没有对其飞行品质进行评价的研究，本文首先建立姿态遥控模式下的动力学仿真模型，采用倍脉冲激励信号激发其模态特性，基于低阶等效模型，研究了激励信号的计算效果，得出基本的短周期模态特性计算结果以及辨识方法，最后采用飞行试验的方法验证了计算方法的可行性。

一种新型垂直起降无人机纵向控制系统的研究

张红梅;刘昌镇;徐光延

【期刊名称】《火力与指挥控制》

【年(卷),期】2018(043)011

【摘要】重点介绍了一种新型垂直起降无人机(VTOL UAV)纵向控制系统的设计与仿真.以建立的VTOLUAV飞行动力学系统模型为基础,将系统动力学解耦到纵向和横向动力学模型.将传统控制理论与现代控制理论相结合,充分利用PID控制器原理简单、适应性强,线性二次型(LQR)调节器能改善内回路的动态特性和稳态性的特点,针对姿态角速度设计了内环LQR控制,针对姿态角设计了外环PID控制的双回路闭环控制器.所得到的控制器在MAT-LAB/SIMULINK环境中进行了仿真.仿真结果表明所设计的控制器是有效的,实现了对垂直起降无人机的纵向控制.

【总页数】5页(P53-57)

【作者】张红梅;刘昌镇;徐光延

【作者单位】沈阳航空航天大学自动化学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学自动化学院,沈阳110136;沈阳航空航天大学自动化学院,沈阳110136

【正文语种】中文

【中图分类】TJ765;V275

【相关文献】

1.Rapid Composites推出新型两栖垂直起降无人机Bullray [J],

2.垂直起降固定翼飞翼布局无人机过渡飞行纵向稳定性研究 [J], 祝小平;王睿;周洲 3.矢量拉力垂直起降无人机姿态纵向控制研究 [J], 刘东辉;奚乐乐;孙晓云

4.倾转四旋翼无人机垂直起降阶段控制系统研究 [J], 吴江;梁敬;陈诗豪;

5.涵道式垂直起降固定翼无人机纵向稳定性研究 [J], 王春阳;周洲;王睿;王科雷

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