阅读说明：本技术 一种飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法 (Large-overload disc-stabilizing maneuvering control method for flying-wing unmanned aerial vehicle ) 是由 唐瑞卿 陈伟 刘宇佳 崔庆梁 张延荣 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法,包括稳盘机动控制逻辑及发动机表速闭环控制模态、高度保持控制模态、滚转角控制模态；所述方法应用于飞翼布局无人机上,提供稳定盘旋机动过程中各控制通道的自动控制方法。本发明可通过调用滚转角控制模态实现无人机坡度的建立,调用高度保持控制模态实现定高飞行,调用发动机表速闭环控制模态实现定速飞行,从而完成无人机稳定盘旋机动动作。本发明可通过对发动机、操纵面进行合理的自动控制,实现飞翼布局无人机的稳定盘旋机动飞行,实现无人机飞行方向的快速改变。(The invention discloses a large-overload disk stabilizing maneuvering control method for a flying wing unmanned aerial vehicle, which comprises disk stabilizing maneuvering control logic, an engine meter speed closed-loop control mode, a height keeping control mode and a roll angle control mode; the method is applied to the flying wing layout unmanned aerial vehicle, and provides an automatic control method for each control channel in the stable hovering maneuvering process. According to the invention, the gradient of the unmanned aerial vehicle can be established by calling a roll angle control mode, the constant-height flight is realized by calling a height maintaining control mode, and the constant-speed flight is realized by calling an engine meter speed closed-loop control mode, so that the stable hovering maneuvering action of the unmanned aerial vehicle is completed. The invention can realize the stable hovering maneuvering flight of the flying wing layout unmanned aerial vehicle by reasonably and automatically controlling the engine and the control surface, and realize the rapid change of the flight direction of the unmanned aerial vehicle.)

一种飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法

技术领域：

本发明涉及航空飞行控制技术领域，更具体地说，本发明涉及飞翼无人机的机动飞行控制。

背景技术：

无人机具有体积小、机动灵活、操作简便、使用成本低、效率高、续航时间长等特点。它可伴随作战部队，并自成体系独立执行侦察、监视、火力攻击、干扰等多种作战任务，大大减轻了战争带来的人员伤亡，是当今世界各个军事强国纷纷青睐的武器装备之一。

飞翼布局无人机因为取消了尾翼，这样就导致飞机的纵、航向操纵性能方面较差，必须合理地操纵操纵面来产生足够的操纵力矩。升降副翼是能够同时实现飞机俯仰和滚转操作面，具有升降舵和副翼的两种操作面的功能。左右升降副翼如果联动偏转，就可以起到升降舵的作用，如果左右升降副翼反向偏转，则可以起到副翼的作用。飞翼布局无人机的航向控制是由阻力方向舵来提供的，飞翼布局无人机的航向静稳定性较低，因此需要很小的偏转航力矩就能够满足要求，而较大的力臂使得它能够完全由阻力方向舵来提供足够的偏转力矩。

飞机的机动动作实际上是对驾驶员操纵飞机完成特定飞行轨迹的提炼和总结。飞机的机动动作一方面反映了飞机的机动能力，另一方面也反映了人工操纵的一些规则。暂时未检索到飞翼布局无人机机动动作控制的实现与相关研究。无人机的机动控制可用于：1)躲避导弹；2)空中格斗。这种机动功能极大地提高了无人机的作战能力，使其朝空战无人机的方向发展。大坡度稳定盘旋机动的基本过程是在水平面内建立滚转坡度，并连续转弯不小于360°的飞行，着重反映飞机的方向机动性。

尚无公开文献介绍飞翼布局无人机稳定盘旋机动控制方法，本发明填补了该项技术的空白，通过设计特定的逻辑调用常规飞行控制律模态，实现大坡度稳定盘旋机动动作，提高了无人机的作战能力和使用场景。

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本发明的主要目的有：①提出一种飞翼无人机大过载是稳定盘旋机动的控制方法；②解决飞翼无人机大过载稳盘机动动作实现的问题。

本发明的技术方案为：

飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法，其特征在于，包括稳盘机动控制逻辑及发动机表速闭环控制模态、高度保持控制模态、滚转角控制模态；

所述稳盘机动控制逻辑为：

建立稳盘坡度前稳定平飞，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为当前高度；横向调用滚转角保持模态；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为当前表速；

稳盘机动阶段：纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入稳盘机动时的高度；横向调用滚转角保持模态，滚转角控制目标为拟设定值；发动机调用表速闭环控制模态，表速目标为进入稳盘机动时的表速；

稳盘结束阶段，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入该阶段时的高度；横向调用滚转角保持模态；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为进入该阶段时的表速。

所述发动机表速闭环控制模态，通过自动油门实现对表速的控制，采用比例加积分的控制结构，并引入俯仰角和俯仰角速率信号进行补偿。

所述发动机表速闭环控制模态，通过自动油门实现对表速的控制，采用比例加积分的控制结构，并引入俯仰角和俯仰角速率信号进行补偿，以给定空速为控制目标，采用比例积分的控制方式实现对表速的控制；

式中，δ_T为发动机油门开度，

V_IAS分别为表速的给定值和表速的测量值，

为发动机油门的前馈量，Ax为前向加速度，为控制器增益。

所述高度保持控制模态，该控制模态以垂直速度保持作为内回路，对高度进行控制与保持。

所述高度保持控制模态，该控制模态以垂直速度保持作为内回路，对高度进行控制与保持，其输入信号包括高度指令以及当前高度、升降速率、俯仰角、俯仰角速率、迎角、垂直角速度，输出为等效升降舵偏度；

△α＝(α-α₀)+q

式中，δ_ε为等效升降舵偏度，q为俯仰角速率，q_g为俯仰角速率给定，θ为俯仰角，θ_g为俯仰角给定，△A_Z为垂直加速度，α为迎角，α₀为迎角保护值，为迎角保护项，

为过载保护项，θ_ref为俯仰角前馈量，为升降速度给定，

为个控制器增益。

所述滚转角控制模态，采用比例加积分的控制方式，以滚转角为横侧向主控外回路，引入滚转角速率(ROR)来增加横向的阻尼，偏航角速率为内回路。

所述滚转角控制模态，采用比例加积分的控制方式，以滚转角

为横侧向主控外回路，引入滚转角速率(ROR)来增加横向的阻尼，偏航角速率为内回路，跟踪给定滚转角目标值实现对飞翼无人机左滚、翼平、右滚的姿态控制；

式中，δ_a为等效副翼偏度，φ_g为滚转角给定值，φ为滚转角，p为滚转角速率，

为各控制器增益。

所述稳盘机动控制逻辑具体为：

第一阶段：先从当前状态转换为平飞状态，即纵向调用高度控制模态，控制目标为转为平飞状态前的高度；发动机控制调用空速控制模态，控制目标为转为平飞状态前的空速；横向调用滚转角控制模态，控制目标为0°；

第二阶段：建立滚转坡度，当飞机的飞行高度进入给定高度±30m的公差带且滚转角进入0°的±5°公差带内2s-5s后，开始建立滚转坡度，该滚转坡度φ_g可根据实际情况进行设置，该阶段纵向调用高度控制模态，控制目标与第一阶段一致；发动机控制调用空速控制模态，控制目标与第一阶段一致；横向调用滚转角控制，控制目标为φ_g；

第三阶段：当完成盘旋一周的动作后，飞机改平退出机动，即纵向调用高度控制模态，控制目标为转为平飞状态前的高度；发动机控制调用空速控制模态，控制目标为转为平飞状态前的空速；横向调用滚转角控制模态，控制目标为0°；当滚转角进入±5°公差带2s-5s后退出该机动。

本发明的优点在于：

稳盘机动的控制逻辑清晰、简单，控制律模态可沿用正常飞行的控制律模态，实现设计工作的简化；在能够实现机动控制的无人机上加装红外传感器可以实现自动避弹的功能；由于飞控计算机具有全自动执行功能，该功能可以扩展到有人机自动驾驶、自动避弹等。

附图说明：

图1是本发明的稳盘机动的控制逻辑流程图；

图2是本发明的发动机表速控制模态框图；

图3是本发明的高度保持控制模态框图；

图4是本发明的滚转角控制模态框图；

图5是本发明的航向增稳控制模态框图。

具体实施方法：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法，包括稳盘机动控制逻辑及发动机表速闭环控制模态、高度保持控制模态、滚转角控制模态；

所述稳盘机动控制逻辑为：

建立稳盘坡度前稳定平飞，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为当前高度；横向调用滚转角保持模态；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为当前表速；

稳盘机动阶段：纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入稳盘机动时的高度；横向调用滚转角保持模态，滚转角控制目标为拟设定值；发动机调用表速闭环控制模态，表速目标为进入稳盘机动时的表速；

稳盘结束阶段，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入该阶段时的高度；横向调用滚转角保持模态；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为进入该阶段时的表速。

所述发动机表速闭环控制模态，通过自动油门实现对表速的控制，采用比例加积分的控制结构，并引入俯仰角和俯仰角速率信号进行补偿。

所述高度保持控制模态，该控制模态以垂直速度保持作为内回路，对高度进行控制与保持。

所述滚转角控制模态，采用比例加积分的控制方式，以滚转角为横侧向主控外回路，引入滚转角速率(ROR)来增加横向的阻尼，偏航角速率为内回路。

实施例2

本发明飞翼无人机大过载稳盘机动控制方法，包括稳盘机动控制过程的控制律模态调用方法及发动机表速闭环控制模态、高度保持控制模态、滚转角控制模态：

①稳盘机动控制逻辑

建立稳盘坡度前稳定平飞2s，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为当前高度；横向调用滚转角保持模态，滚转角指令为0°；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为当前表速。

稳盘机动阶段：纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入稳盘机动时的高度；横向调用滚转角保持模态，滚转角控制目标为拟设定值，如φ＝70°；发动机调用表速闭环控制模态，表速目标为进入稳盘机动时的表速。

稳盘一周后转入结束阶段，纵向调用高度保持模态，高度控制目标为进入该阶段时的高度；横向调用滚转角保持模态，滚转角指令为0°；发动机调用表速闭环控制模态，控制目标为进入该阶段时的表速。

②发动机表速闭环控制模态，主要通过自动油门实现对表速的控制，采用比例加积分的控制结构，并引入俯仰角和俯仰角速率信号进行补偿，因此以给定空速为控制目标，采用比例积分的控制方式实现对表速的控制；

式中，δ_T为发动机油门开度，V_IAS分别为表速的给定值和表速的测量值，

为发动机油门的前馈量，Ax为前向加速度，

为控制器增益。

③高度保持控制模态，该控制模态以垂直速度保持作为内回路，对高度进行控制与保持，其输入信号包括高度指令以及当前高度、升降速率、俯仰角、俯仰角速率、迎角、垂直角速度，输出为等效升降舵偏度；

△α＝(α-α₀)+q

式中，δ_ε为等效升降舵偏度，q为俯仰角速率，q_g为俯仰角速率给定，θ为俯仰角，θ_g为俯仰角给定，△A_Z为垂直加速度，α为迎角，α₀为迎角保护值，为迎角保护项，

为过载保护项，θ_ref为俯仰角前馈量，为升降速度给定，

为个控制器增益。

④滚转角控制模态，主要采用比例加积分的控制方式，以滚转角为横侧向主控外回路，引入滚转角速率(ROR)来增加横向的阻尼，偏航角速率为内回路，跟踪给定滚转角目标值

实现对飞翼无人机左滚、翼平、右滚的姿态控制；

式中，δ_a为等效副翼偏度，φ_g为滚转角给定值，φ为滚转角，p为滚转角速率，为各控制器增益。

实施例3

本发明无人机飞行时需要同时调用纵向控制模态、横向控制模态、发动机控制模态、航向控制模态，本发明中的航向始终调用增稳控制模态。

如图1所示，模态调度逻辑主要流程为：

第一阶段：先从当前状态转换为平飞状态，即纵向调用高度控制模态，控制目标为转为平飞状态前的高度；发动机控制调用空速控制模态，控制目标为转为平飞状态前的空速；横向调用滚转角控制模态，控制目标为0°；

第二阶段：建立滚转坡度，当飞机的飞行高度进入给定高度±30m(应根据无人机本体性能进行选取)的公差带且滚转角进入0°的±5°公差带内2s后(可适当延长)，开始建立滚转坡度，该滚转坡度φ_g可根据实际情况进行设置，例如拟完成坡度为70°的稳定盘旋机动动作。该阶段纵向调用高度控制模态，控制目标与第一阶段一致；发动机控制调用空速控制模态，控制目标与第一阶段一致；横向调用滚转角控制(控制目标为φ_g；

第三阶段：当完成盘旋一周的动作后，飞机改平退出机动，即纵向调用高度控制模态，控制目标为转为平飞状态前的高度；发动机控制调用空速控制模态，控制目标为转为平飞状态前的空速；横向调用滚转角控制模态，控制目标为0°；当滚转角进入±5°公差带3s(可为其他值)后退出该机动。

如图2所示，发动机表速闭环控制模态主要实现：①接收来自飞控计算机发出的空速给定值②接收来自空速传感器输出的空速信号(V_IAS)；③并引入前馈量补偿姿态变化对速度的影响；④通过比例积分微分控制器闭环控制回路，解算控制律并输出控制信号至无人机发动机油门，从而实现飞翼无人机的表速闭环控制。

如图3所示，高度控制模态由制导回路和控制回路构成，制导回路外环为高度，内环为升降速度；控制回路外环为俯仰角，内环为俯仰角速率。主要实现：①接收来自飞控计算机发出的高度给定值(H_g)，接收来自传感器输出的高度信号(H)、升降速度信号

接收来自传感器输出的法向过载，与保护值作差得到法向过载误差量△A_Z，对法向过载进行保护，

为过载保护项；采用比例积分微分控制器得到θ_NAV；②接收来自传感器输出的迎角，与保护值作差得到△α，对迎角进行保护，为迎角保护项，叠加、θ_NAV前馈值θ_ref和迎角保护项得到俯仰角的目标θ_g；③接收来自传感器输出的俯仰角θ、滚转角φ，俯仰角速率q，

为飞机建立坡度后在纵向的补偿量，计算得到q_g；④综合上述信号，通过比例积分微分控制器输出等效升降舵的控制目标，从而实现飞翼无人机的高度的控制。

如图4所示，滚转角控制模态主要实现：①接收来自飞行控制计算机发出的滚转角给定值(φ_g)；②接收来自传感器的滚转角信号(φ)和滚转角速率信号(p)；③综合上述信号，通过比例积分控制器闭环横侧向控制回路，解算控制律并输出等效副翼舵的偏度δ_a，实现对飞翼无人机滚转角的控制。