马云飞，朱菲菲
（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450047）
摘要：对后推式全动平尾电动手抛无人机的定高飞行控制技术进行研究，根据飞行控制系统理论，对无人机的飞行控制律进行设计，在此基础上，采用经典的PID控制方法，设计了无人机的纵向控制律，同时针对实际飞行中高度受油门变化扰动很大，提出使用高度?油门控制环路对纵向控制进行补偿的方法来提高无人机的高度控制精度，并在某小型电动手抛无人机上进行了实际飞行验证，飞行结果表明高度控制方法合理、有效，有广泛的借鉴意义。
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关键词 ：无人机；电动；定高；高度控制
中图分类号：TN876?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0013?03
收稿日期：2015?01?28
0 引言
小型电动无人机以电池作为动力，最大起飞重量一般在几千克之内，可采用手抛或弹射起飞，回收方式有滑降、伞降或深失速着陆。小型电动无人机有成本低，机动性强，携行性好等诸多优点，适合单兵作战，近年来在国内受到了很大的重视[1?4]。
通常，无人机需要在保持高度、速度状态下飞行，另外根据任务需要还要定迎角、定倾斜角飞行[1?4]。定高飞行是小型无人机基本控制模态之一，它对系统的安全以及任务能力影响非常大。无人机定高飞行通过对纵向通道控制来实现，纵向控制包括速度控制，俯仰控制和高度控制。纵向控制机构主要有2 个，升降舵和油门舵。理论上，可设计高度偏差?升降、速度偏差?油门回路实现对无人机的纵向控制。在实际工程中，各个通道之间往往存在很大的耦合，特别是螺旋桨后置、全动平尾的无人机。全动平尾效率高，螺旋桨后置后，如全动平尾处于电动螺旋桨洗流里面，在飞行过程中电动机与螺旋桨转速时变，对纵向的扰动很大。同时，在小型电动无人机设计中追求降低起飞速度以提高手抛或弹射起飞的安全性，从而在增大机翼面积和减小重量方面进行折中。在小型无人机上，推力线、重心与气动焦点之间的关系存在很大的关联，随着油门、姿态以及风场的变化对无人机的控制会造成很大的干扰，给精确定高飞行控制造成很大的麻烦。本文，主要针对小型电动后推式全动平尾电动手抛无人机进行高度控制算法设计。
1 控制原理
固定翼无人机飞行控制系统通常带有副翼舵、方向舵、升降舵和油门舵等控制机构，对应俯仰、航向、倾斜以及速度控制通道等。在无人机飞控的设计中要考虑各个通道的关联性和独立性，在增稳控制中，通常分纵向通道、横向通道来进行设计。纵向通道可以控制无人机的俯仰角、高度和速度等；横向通道可以控制无人机的倾斜角、航向角以及偏航距等，一般无人机的总体控制结构图如图1所示。
无人机的模式或应用都是在增稳控制的基础上对这些功能进行组合。
飞行高度的控制一般通过调整升降舵来实现，对于一些大飞机，可以通过改变发动机油门来控制飞机的高度。高度的内环一般是俯仰控制，在俯仰控制中，通常引入俯仰角速率反馈来增强无人机飞行的姿态稳定性，这实际上是一种串联控制，主要针对系统中的高度响应速度慢而俯仰角响应速度快的情况。
控制律的初始设计是在模型线性化的基础上进行的，对于控制律设计，其设计方法种类较多，既有基于经典控制理论的各种线性控制系统设计方法，又有基于现代控制理论和智能控制理论的各种线性、非线性控制系统设计方法，如：根轨迹法、极点配置法、频域方法、模型跟踪法、最优控制方法、自适应方法、动态逆方法和神经网络方法等。在无人机的增稳控制中，比较经典的控制方法是PID算法或者基于PID算法的延伸算法。PID控制是迄今为止应用最为广泛的反馈控制方法，它结构简单，鲁棒性好，可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中[3]。
具有负反馈的基础PID控制结构如图2所示。
在这个控制结构中，饱和前、负反馈之后的主要数学公式如下：
2 设计实现
无人机控制律通常设计途径是首先对控制对象进行准确的数学模型建模，引入多回路的传递函数，对整个控制回路进行稳定性分析，确定飞控系统的各传递函数[1]。
无人机飞行过程中具有非线性、时变、不确定的特点，难以确定精确的数学模型。而且，实际飞行中，由于受参数整定方法繁杂的困扰，参数往往整定不佳。同时小型无人机的气动数据不足，不足以建立准确的数学模型，补充气动数据通常需要大量的时间、人力、物力。在实际的控制律设计中，考虑到小型手抛固定翼无人机具有较高的静稳定性，通常以基本反馈回路为基础，设计基础的控制律，简化飞机的控制律设计过程，并通过实际试飞调整，可以直观、迅速地确立校正方程的参数，同时可大大降低研制成本。小型手抛无人机纵向控制基本回路包括俯仰姿态保持模态和高度保持模态。
俯仰姿态保持模态由俯仰角反馈回路和俯仰角速率反馈回路构成，其控制律可以表示[3]为：
以上是基本的控制回路，但是实际工程中，需要进行很大的调整和改进，以下以某小型电动手抛无人机为例进行高度控制设计，该无人机重量在2 kg左右，采用全动平尾、螺旋桨后置，方向舵和全动平尾在桨叶后面，它的特点如下：
（1）尺寸非常小，结构紧凑，法向与前向重心不易调整，而重心对平台特性影响非常大，整个系统对重心异常敏感；
（2）电动机与螺旋桨高置，它的推力线、重心与气动焦点之间的关系存在很大的关联，不易调整；
（3）采用全动平尾，效率非常高，全动平尾以及方向舵受电动机螺旋桨洗流干扰严重。在飞行过程中电动机与螺旋桨转速时变，造成平台的操纵特性更加复杂。
该无人机舵面操纵效率高，响应快，在不同油门状态下，同样的响应，操纵会有很大的偏差。针对该无人机的特点，结合平台操控与响应特性试验数据，对控制律进行了优化。结合平台的不同模态的响应特性对控制律的设计进行细分，并通过大量的试验进行验证。最后采用的高度环路控制结构如图3所示。
纵向通道基本回路不变，仍然采用高度?俯仰外环和俯仰控制内环的结构。考虑到油门与纵向的耦合，借鉴大飞机设计中的油门?高度环路设计思想，把油门控制中增加了高度补偿环节，通过高度补偿，达到能量平衡控制目的。
在设计中，考虑到各个通道的响应速度，对不同的受控对象采用不同的控制频率。在PID设计中，采用变参控制，提高了控制品质。
3 实验验证
定高飞行是该无人机的主要控制需求之一，在该型无人机的控制律中引入了油门、高度补偿控制后实际定高飞行曲线如图4，图5所示。
图4 是根据机载数据记录仪实时记录的飞行数据采用专用分析软件绘制的飞行高度?油门?飞行模式曲线。在定高飞行模式下，大约飞行1 800 s，取样本量22 500个数据，在该曲线中，高度保持很好。
图5是截取飞行中大约200 s定高飞行数据绘制的高度?俯仰角?油门曲线，对该段数据进行处理，可以算出高度均方差为2.3 m，绝对误差为7 m，俯仰角配合高度自动调整，油门随高度变化自动调整，油门范围为44~51。从图上可见该系统很好地完成了定高功能。
4 结论
本设计针对小型后推式全动平尾电动手抛无人机实际飞行中高度控制受油门变化扰动较大的问题，在传统飞行控制律设计的基础上，提出了使用高度?油门控制环路对纵向控制进行补偿的方法来提高无人机的高度控制精度，并在某小型电动手抛无人机上进行了实际飞行验证。飞行结果表明该高度控制方法合理、有效，对于电动手抛型无人机，特别是对平尾处于螺旋桨尾流里面的后推式小型无人机具有广泛的借鉴意义。
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参考文献
[1] 李明，胡秉科.抖振和其他跨音速现象对机动作战飞机的影响[M].北京：国际航空编辑部，1980.
[2] 无人机手册编写小组.无人机手册[M].北京：航空工业出版社，1999.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].3版.北京：国防工业出版社，1994.
[4] 吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[5] 秦玮，闫建国，孙兴宏，等.无人机飞行控制系统纵向控制律设计及仿真[J].弹箭与制导学报，2007，27（2）：91?93.
[6] 薛鹏，肖前贵，高艳辉.某无人机飞控系统半实物仿真平台设计[J].现代电子技术，2012，35（13）：111?114.
作者简介：马云飞（1979—），男，工程师。主要研究方向为无人机飞行控制。
朱菲菲（1979—），女，工程师，硕士。主要研究方向为信息处理。