無人駕駛直升機創(chuàng)新科技論文
無人駕駛直升機創(chuàng)新科技論文
無人直升機(VTOL)，是指由無線遙控設備或飛行程序控制裝置操縱的非載人軍用直升機。學習啦小編整理的無人駕駛直升機創(chuàng)新科技論文，希望你能從中得到感悟!
無人駕駛直升機創(chuàng)新科技論文篇一
無人武裝直升機火力控制系統(tǒng)技術分析
摘 要：該文結合無人武裝直升機的作戰(zhàn)任務，給出其火控系統(tǒng)功能、組成和結構框架，對相關火控關鍵技術進行分析，提出在該領域應重點開展的研究項目，用于支持未來無人武裝直升機火控系統(tǒng)的研制和作戰(zhàn)使用。
關鍵詞：無人武裝直升機 火力控制 關鍵技術
中圖分類號：V 271.4 文獻標識碼：：A 文章編號：1674-098X(2013)03(c)-00-03
軍用無人直升機(VTOL)，是指由無線遙控設備或飛行程序控制裝置操縱的非載人軍用直升機。它不僅擁有同“捕食者”、“全球鷹”等固定翼無人機相近的功能，而且由于起降便捷、機動性好，作戰(zhàn)用途更加廣泛，具有非?？捎^的發(fā)展前景和作戰(zhàn)潛力。目前，全世界約有十幾種無人直升機在軍中服役，廣泛運用于偵察監(jiān)視、通信中繼、掃雷測繪等方面。隨著技術的發(fā)展，火力強、載彈量大、具備對空、對地攻擊能力，可與現(xiàn)役武裝直升機共同參與作戰(zhàn)的無人武裝直升機(又稱無人武裝作戰(zhàn)旋翼飛機，UCAR)正逐漸成為陸軍武器裝備的研究重點之一。
該文通過對國外無人武裝直升機(UCAR)相關研究計劃進行技術分析，給出我國未來發(fā)展的無人武裝直升機(UCAR)武器火控系統(tǒng)的設備組成、技術研究內容，可供項目決策使用。
1 國外研究情況
美國非常重視無人武裝直升機(UCAR)研制工作，已引起了世界關注美國陸軍與美國國防部高級預研計劃局(DARPA)于2002年5月啟動了無人武裝直升機(UCAR)項目。按照預想，UCAR要成為美陸軍航空兵自直升機服役以來最革命性的裝備。武裝直升機與無人駕駛旋翼機的聯(lián)合作戰(zhàn)已引起軍用直升機作戰(zhàn)理論的重大變革。
1.1 美軍UCAR概念
美軍UCAR系統(tǒng)組成描述如下：UCAR平臺與有人駕駛直升機相近的白天/夜間、復雜氣象條件下的飛行能力(速度、距離、續(xù)航時間);可全球快速部署;模塊化的有效載荷;增強的戰(zhàn)場抗損性;經(jīng)濟可承受(飛行費用、訓練維護費用);有一定的擴展能力。指揮與控制：可由地面與空中的多種平臺(包括有人駕駛直升機、車輛、UAV)指揮與控制;平臺自主任務規(guī)劃(包含實時重規(guī)劃);自動任務操作(偵察、攻擊);與有人駕駛直升機協(xié)同作戰(zhàn);低高度自主飛行。傳感器：白天/夜間、復雜氣象條件下完成：多譜目標探測;分布式合作目標探測;BDA、IFF;遠距目標識別;高可靠性。武器分為：導彈、火箭彈、炮致命性武器及非致命性武器。
1.2 用途及功能
UCAR的設計用途及功能如下：目標偵察;空中監(jiān)視;雷區(qū)探查;對敵攻擊;戰(zhàn)損評估;電子對抗。
1.3 用戶需求
美陸軍在UCAR項目中需要弄明白的問題包括：UCAR將把何種能力帶入戰(zhàn)場，該系統(tǒng)將如何管理，滿足攻擊、偵察、瞄準和通信中繼需要的UCAR是多用途平臺還是專門任務平臺等。在項目論證階段，美陸軍首先要求UCAR必須達到的技術完備等級(TRL)為7級。
1.4 發(fā)展思路
DARPA認為，UCAR代表著美國無人機未來的發(fā)展。UCAR的使用環(huán)境設想是在適合于陸軍的低空環(huán)境，比UCAV(無人戰(zhàn)斗機)復雜得多。與UCAV相比，UCAR側重于驗證一名操控人員操作多架無人機的概念。結合用戶需求，DAAPA在UCAR項目中，要求驗證：UCAR的戰(zhàn)場生存力，特別是低空執(zhí)行任務時;要求該機既要買得起也要用得起;與美陸軍其他有人駕駛和無人駕駛裝備的互操作能力;能自主地進行任務規(guī)劃和協(xié)同作戰(zhàn);具有實時識別并摧毀目標的能力。
UCAR技術上的挑戰(zhàn)在于自主性。“完全自主”指的是不需要人的輸入就能執(zhí)行任務并決策，如果環(huán)境發(fā)生變化，還能根據(jù)變化來決定如何行動。但UCAR肯定達不到完全自主，它將是半自主的。出于技術完備性要求的考慮，UCAR項目驗證的只是有人駕駛系統(tǒng)的輔助;在中長期，應能按預先設定的程序半自主地完成任務;而在遠期(2020―2025年以后)，則應該能從頭至尾完全自主地完成任務，當然仍需要人員的監(jiān)控。
1.5 項目要求
UCAR整個項目計劃初步分為概念論證、設計評估、系統(tǒng)研制和系統(tǒng)成熟等四個階段，希望通過8年時間達到預期的技術成熟階段，項目結束時要求技術成熟到可以轉入全尺寸系統(tǒng)的開發(fā)與演示(SDD)階段，最終發(fā)展成為一種具有垂直起降、自主操作和指揮控制能力的飛行器。
第一階段波音、洛克希德・馬丁/貝爾直升機、諾斯羅普・格魯門及西科斯基/雷神4個小組各獲得一份300萬美元的合同，為期一年。該階段要求開展結構開發(fā)、權衡研究、風險降低方案設計和性能定義。第一階段結束時將選出兩個小組進入第二階段。美國陸軍在第一階段合同中沒有給出很詳細的要求，只是提出了最高目標，共有4條：UCAR能全球使用;能在居民區(qū)上空安全使用;從空中和地面都能指揮與控制;使用JP8燃油。經(jīng)評估，洛・馬公司和諾・格公司進入UCAR計劃的第二階段，主要從事設計方案的優(yōu)化及評估。此時，DARPA對UCAR計劃又增加了一項新的要求，即UCAR必須達到90%或更高的可用度。第二階段將持續(xù)9個月，將完成初步設計評估。按照第二階段的合同，合同商必須制造出地面原型機和完成幾項驗證，包括生存性和有人/無人編隊驗證等。最后選出一個競爭小組進入第三階段。第三階段是系統(tǒng)開發(fā)階段，約持續(xù)兩年，其間將完成關鍵設計評審，有兩架驗證機同時進行試飛計劃。第四階段為系統(tǒng)成熟階段，其間將有第三架驗證機加入試飛。
1.6 技術關鍵
DARPA列出的UCAR的關鍵技術有：
(1)有人機/無人機聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合設計技術。UCAR采用的是一名操控人員(可以在空中，也可以在地面)操作多架UCAR的聯(lián)合作戰(zhàn)模式，系統(tǒng)設計必須考慮充分發(fā)揮有人機、無人機的性能特點，盡量讓UCAR執(zhí)行高危險性的任務，盡量降低有人平臺的危險性。 (2)自主地在低空飛行、工作并生存。美陸軍所指的低空是離地150 m，當今的無人機還沒有飛這么低的，由此帶來的難題是如何與其他無人機和有人駕駛飛機聯(lián)絡，以及如何規(guī)避地面障礙物等。可能解決辦法是采納一組被動的地形和態(tài)勢感知輔助措施，并利用現(xiàn)有的主動規(guī)避系統(tǒng)技術。
(3)必須在目標識別和時敏目標攻擊方面有大的提高。UCAR的關鍵技術是目標識別，要求其提供的目標圖像的效果要求比目前的無人機系統(tǒng)更好。目標截獲將通過多種類型的傳感器來實現(xiàn)，這些傳感器可能是UCAR本身攜載的，也可以是來自其他系統(tǒng)。DARPA設想UCAR的傳感器系統(tǒng)為模塊式的，可以根據(jù)任務需要隨時更換，其攜載的武器包括空射導彈、火箭和槍炮。盡量縮短從“信息鏈”到“火力鏈”的時間，實現(xiàn)時敏打擊。
(4)尋求高智能化的自主任務系統(tǒng)技術，能在執(zhí)行任務途中改變任務。在UCAR中，人的作用是制訂任務和武器投放，處在監(jiān)督的位置，但不是中心的位置。完成該項功能要求的核心是以綜合任務計算機為核心的先進而完備的電子系統(tǒng)為依托，通過智能化自主控制技術，實現(xiàn)對直升機任務控制、操縱、維護的自動化，從而大大減輕有人機操作人員的工作負荷，提高操縱功效和作戰(zhàn)能力。例如，在進行偵察時，高智能化的自主任務系統(tǒng)能自動地進行全方位搜索和探測，并自動顯示、記錄、報告;偵察發(fā)現(xiàn)高價值目標時，可自動完成綜合飛行/火力控制，實現(xiàn)時敏打擊;任務目標更換時，能夠自動做相應的任務規(guī)劃、導航、攻擊操作，包括自主航跡規(guī)劃、自主飛行控制、自動資源管理與分配等方面;當有攻擊導彈來襲時，安全系統(tǒng)就會立即報警，同時顯示來襲目標的性質、方位、距離和應采取的對抗方式;故障顯示系統(tǒng)則可自動診斷出電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的故障，甚至能預報即將發(fā)生的故障，并顯示出應采取的防范措施。
(5)技術在采購、使用、支援、作戰(zhàn)損耗等方面都要花費得起。UCAR購機成本要控制在”科曼奇”的20%～40%，使用和支援成本要比”阿帕奇”低50%～80%，初步估測價格在400萬～800萬美元。UCAR還必須留有系統(tǒng)升級的空間，因為該機計劃服役20～30年，比如可能會配裝定向能武器。對隱身性能在UCAR項目中未作專門要求，但要求具有高度的戰(zhàn)場生存力。UCAR的非作戰(zhàn)損耗率必須提高一個數(shù)量級。目標是使UCAR的系統(tǒng)可靠性提高到能得到美國聯(lián)邦航空局的批準而在民航管制空域飛行。
(6)有條件地尋求隱身化，以保持最低可探測性。除采用傳統(tǒng)雷達隱身技術外，還具有紅外隱身、激光隱身和聲隱身，無疑使其具有獨特的隱身性能。
2 無人武裝直升機(UCAR)武器火控系統(tǒng)技術方案設想
2.1 系統(tǒng)組成
UCAR作戰(zhàn)系統(tǒng)由指揮與控制平臺(可以是有人駕駛直升機、地面控制站)、固定翼無人機(UAV)與無人武裝直升機(UCAR)組成。該系統(tǒng)由有人駕駛直升機或地面控制站來完成作戰(zhàn)指揮控制，一名操控人員可操作多架UCAR，對目標的偵察、定位由一架UCAR或多架UCAR聯(lián)合完成，也可由UCAR與UAV聯(lián)合完成;對目標的攻擊由操控人員指揮UCAR完成，整個系統(tǒng)所攜帶的武器由操控人員統(tǒng)一管理和控制，指揮與控制平臺可以通過聯(lián)合戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)對UAV/UCAR指揮引導、控制任務。這其中：
(1)有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)，每一架UCAR都有一定的自主性，可根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和指令調整任務操作計劃，可執(zhí)行“時敏”打擊任務;
(2)UCAR具備一定自主能力，能夠根據(jù)指令有選擇地投入作戰(zhàn)，可以根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢做出幾種不同的選擇：一種是保護自身，即UCAR在面對威脅自身的目標時，將能夠選擇躲避或者交戰(zhàn);一種是保護編隊，即UCAR將與威脅任何一架飛機的目標交戰(zhàn)，甚至犧牲自身來保護有人駕駛飛機;再一種是保護友方，即UCAR將與威脅友方部隊的目標直接交戰(zhàn)。
(3)允許實行傳感器組網(wǎng)探測，其他的有人或無人駕駛作戰(zhàn)單位與UCAR其配合，通過傳感器相互傳輸信息，為指揮者提供審視戰(zhàn)區(qū)內作戰(zhàn)地區(qū)及鄰近區(qū)域的更廣闊視野;
(4)每一架無人直升機都裝備一系列的模塊化傳感器，使它們在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時更容易目標識別，即使是在激烈交戰(zhàn)的情況下，也能識別敵我情況。
2.2 UCAR武器火控系統(tǒng)組成
UCAR武器火控系統(tǒng)由下列設備組成。
(1)智能化的核心任務處理計算機(MC)。MC用于對傳感器信息(機內、機外)和其他系統(tǒng)(如飛控、發(fā)動機、環(huán)控等)的信息進行融合處理;任務規(guī)劃和危險評估;產(chǎn)生編隊控制、火力和飛行控制指令;壓縮加密向控制站傳輸?shù)男畔⒑徒鈮?、解密、解釋控制站的指?狀態(tài)檢測、根據(jù)相關任務和當時情況進行機載設備重構。
(2)模塊化的目標探測傳感器。目標探測傳感器包括雷達、多光譜綜合光電傳感器、激光雷達、光電/電子告警設備等，傳感器可單獨使用，也可與其他UCAR傳感器聯(lián)合組網(wǎng)使用。
(3)低成本、小型高精度導航定位系統(tǒng)。包括獲得本機信息的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)、GPS和大氣傳感系統(tǒng)。
(4)高可靠、標準化的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。用于UCAR與控制站之間的上傳和下傳信息，以及UCAR之間的信息交換。
(5)外掛物管理系統(tǒng)。管理、快速發(fā)射制導、非制導武器。
(6)先進的電傳飛行控制系統(tǒng)?？芍С挚焖偃蝿罩匾?guī)劃的飛行航跡控制和低空飛行的地形規(guī)避/跟隨飛行控制，同時可有效地執(zhí)行綜合火力/飛行控制指令，實現(xiàn)自動機動攻擊。
(7)制導武器/非制導武器。
2.3 UCAR武器火控技術需求分析
UCAR武器火控系統(tǒng)的設備和技術可借鑒有人駕駛武裝直升機和固定翼無人機的相關技術，但UCAR的特定作戰(zhàn)模式和任務需求，給UCAR武器火控系統(tǒng)技術提出了新的課題。
2.3.1 機群編隊協(xié)同作戰(zhàn)技術
UCAR火控系統(tǒng)的核心技術之一是一種協(xié)同無人/有人駕駛飛機執(zhí)行任務的技術，即多架UCAR與有人直升機組成編隊來實現(xiàn)探測、發(fā)現(xiàn)和攻擊目標的技術。通過UCAR智能化任務管理技術和分布式指揮控制，使UCAR機群具有自主協(xié)作能力，允許有人駕駛直升機在執(zhí)行作戰(zhàn)任務的同時指揮UCAR，并未失去原有的作戰(zhàn)能力。 有人駕駛直升機飛行員擔任了空中任務指揮官的角色(負責如規(guī)劃任務、制定限制條件和交戰(zhàn)規(guī)則，并把最高級別的任務劃分成幾個部分后分配給每架UCAR，監(jiān)控UCAR、做出投放武器的決定，同時可以監(jiān)視自己的傳感器和使用自己的武器)，與一個編隊的UCAR相互溝通(UCAR在發(fā)現(xiàn)威脅目標后及時發(fā)出警告及目標的重要程度級別，這樣操作員可以迅速地獲得頻率、強度和方向的提示，以便加強態(tài)勢感知能力)。UCAR編隊推薦一個“領隊”作為與有人飛機之間相互聯(lián)系的中心節(jié)點，在執(zhí)行任務過程中，“領隊”角色可以相應改變。如果一架UCAR不得不返回，它將無縫地將所承擔的任務給其他的“伙伴”。同時，編隊的其他成員也承擔起另外一些主導作用，包括與外部信息系統(tǒng)交互作用、為編隊產(chǎn)生可以利用的信息數(shù)據(jù)。UCAR將具有聯(lián)合戰(zhàn)術信息分布系統(tǒng)(包括有人駕駛偵察飛機、UAV的雷達數(shù)據(jù))中獲取信息，也能發(fā)回信息到信息網(wǎng)中。
指揮官向UCAR發(fā)出指令后，UCAR可以及時做出相應的回答。例如，指揮官可以命令UCAR飛向“紅色區(qū)域”、進行偵察、除了遭到攻擊否則不要發(fā)射武器、在特定時間報告情況、一直在指定空域徘徊等。UCAR將發(fā)現(xiàn)和識別一個目標，將信息傳遞給指揮人員，要求重新計劃下一步任務，從指揮人員獲得命令并予以執(zhí)行。指揮官總是處于決策回路中，但并不是編隊所采取的每一個行動都需要批準。
2.3.2先進機載探測傳感器技術和信息融合技術
為了更加有效地執(zhí)行作戰(zhàn)任務，UCAR一般在有人直升機的前面飛行，能夠到達飛行員不敢到達的更低高度，從而獲得更好的戰(zhàn)場視野，甚至能更接近于威脅目標。由于要求UCAR必須能夠在距離地面大約5 m的高度以110-180公里/時的速度掠地飛行，因此UCAR面臨著如何自主規(guī)避障礙物的關鍵問題，即避免UCAR與諸如山丘、樹木、高壓線之類的低空障礙物相撞，并且又能在探測威脅目標的同時避免被地面武器射中等問題。
為此，UCAR可攜帶5種不同功能的傳感器，包括用于合成孔徑雷達(SAR)對地成像和移動目標指示(MTI)的毫米波雷達，用于發(fā)射器識別的電子支援設備，用于瞄準的光電/紅外瞄準裝置，用于目標識別的激光雷達和一個激光測距機/目標指示器。這些傳感器將高度地融合各種信息數(shù)據(jù)，建立起一個空中環(huán)境數(shù)據(jù)庫，UCAR的自主飛行控制系統(tǒng)采用這些數(shù)據(jù)對無人機的飛行速度、高度等進行調整，以避免空中碰撞。同時，UCAR可以從地面干擾中識別出各種目標。UCAR的機載核心任務處理機接收到來自障礙規(guī)避系統(tǒng)的信息后，發(fā)出指令采取相應的躲避行動。
由于每種飛行器都具有同樣的搭載傳感器的能力，無人機編隊可以從多個途徑搜索目標，因此，這不僅是在一架UCAR上進行多傳感器融合，而且還要實現(xiàn)與編隊其他成員之間多數(shù)據(jù)的融合。通過采用多傳感器融合和自動目標識別技術(ATR)，UCAR將把目標圖像“碎片”發(fā)送給任務指揮官，組合成為一幅完整的圖像。
2.3.3 高度智能化的UCAR自主任務處理技術
UCAR在編隊作戰(zhàn)時，武器火控系統(tǒng)有一定的自主性，是通過高度智能化的技術來支撐的。用來完成：
首先在指揮員的確認下，完成攻擊/防御決策自動化。包括態(tài)勢評估和態(tài)勢預測、選擇作戰(zhàn)行動方案，偵察/作戰(zhàn)任務規(guī)劃形成引導狀態(tài)、最佳化判據(jù)、指定攻擊目標、駕駛方法等控制目標。
其次完成戰(zhàn)術和軌跡生成自動化。包括建立、指定、選擇或尋找飛行軌跡，形成作戰(zhàn)航線或飛行程序，選擇引導方法，指定協(xié)同作戰(zhàn)UCAR的位置。
最后實現(xiàn)控制自動化/半自動化。包括傳感器控制的自動化;干擾控制的自動化;武器發(fā)射控制由指揮員，自動發(fā)射;通過火/飛耦合器實現(xiàn)與飛控的耦合以實現(xiàn)飛行控制的自動化。
3 結語
該文研究了無人武裝直升機的作戰(zhàn)任務，設計了其火力控制系統(tǒng)的組成、結構框架，分析其關鍵技術，以期對未來無人武裝直升機火控系統(tǒng)研制提供支持。
參考文獻
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無人駕駛直升機創(chuàng)新科技論文篇二
小型無人直升機控制及穩(wěn)定性分析
摘 要： 本文介紹了線性和非線性控制法則兩種控制律設計方法在小型直升機上的應用，采用雙時域衡量分析方法來分析直升機系統(tǒng)動力學特性。緊子系統(tǒng)和慢子系統(tǒng)分別用于分析直升機轉動和平動動力學特性，緊子系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由李亞普諾夫方程保證，同時采用反饋線性化方法穩(wěn)定控制內回路。此外，在給出線性控制律缺點的同時給出了改進后的非線性控制律，該控制律可以在無人直升機執(zhí)行大角度、快速度飛行運動科目時更穩(wěn)定可靠的控制直升機。
關鍵詞： 無人直升機控制; 穩(wěn)定性分析; 雙時域衡量分析; 李亞普諾夫穩(wěn)定性; 反饋線性化; 非線性控制
中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X(2014)13?0036?03
Control and stability analysis of small?size autonomous helicopters
FAN Shi?wei， XUE Dong?bin
(No. 27 Research Institute， CETC， Zhengzhou 450047， China)
Abstract： The application of design methods of both linear and non?linear control laws in small?size autonomous helicopter is introduced in this paper. A two?time scale decomposition method is used to analyze the dynamics characteristics of the helicopter. The fast subsystem ans slow subsystem are applied to analysis of the rotational and translational dynamics characteristics respectively. The stability of the fast subsystem is ensured by means of a Lyapunov equation. Furthermore， a feedback linearization technique is adopted to stabilize the control inner loop. Moreover， the drawbacks of the linear control law are pointed out and an improved nonlinear control law is proposed. This control law is able to control the helicopter when large variations occur in the orientation angle and position of the helicopter.
Keywords： autonomous helicopter control; stability analysis; two?time?domain scale analysis; Lyapunov stability; feedback linearization; nonlinear control
0 引 言
無人直升機的控制方法設計可以簡要的分為以下兩個方面：基于操作手先驗知識的方法和模擬控制方法[1]。本文以第二種設計方法為主，其中參考先驗知識用于控制律的設計?；谥鄙龣C模型的控制方法在已發(fā)表的文獻中已有很多，比如：基于高階近似模型的線性魯棒控制[2]、基于模糊增益時序安排的線性控制[3]，以及基于非線性模型的預測控制等。在文獻[4]中綜合對比分析了線性控制和非線性控制的方法，值得注意的是在懸停狀態(tài)下，通過對非線性模型的線性化處理進而可以采用諸如LQR和[H∞]多變量控制技術進行控制，另一方面，非線性控制技術適用范圍更為廣泛且能夠包含更大的飛行包線，但是它需求更為精確的模型信息同時對模型更為敏感。
1 直升機模型
本文中所采用的直升機模型為文獻[7]中的模型。在該模型中直升機系統(tǒng)看作一個由力和力矩共同作用的剛體結構。子系統(tǒng)和狀態(tài)及控制變量的連接關系如圖1所示。
圖1 模型中子系統(tǒng)、狀態(tài)變量和控制變量的連接關系圖
在本模型中狀態(tài)變量和輸入信號如下：
[q=PvpΘωbT=xyzvpxvpyvpz?θψωb1ωb2ωb3T] (1)
[u=TmTtabT] (2)
式中：[P]為直升機在慣性空間的位置;[Θ=?θψT]為直升機的歐拉角;力[fb]和力矩[τb]由主旋翼拉力[Tm]和縱、橫向周期變矩角([a]和[b])產(chǎn)生。尾槳系統(tǒng)可以看作是一個由尾槳推力[Tt]產(chǎn)生的純粹橫向力和反扭矩系統(tǒng)，機體坐標和慣性坐標系如圖2所示，其變換如下：
圖2 慣性坐標系和機體坐標系
作用在剛體結構飛行器的動力學方程的力[fb]和力矩[τb]從慣性坐標系到機體坐標系的轉換方程如下：
[mI00Ivbωb+ωb×mvbωb×Iωb=fbτb] (3)
式中：[vb]是體坐標系下的速度;[ωb]是體坐標系下的角速度;[m]為質量;[I]為單位矩陣，[I]為慣性矩陣，設[R(Θ)]為機體軸相對于慣性軸的轉動矩陣(上角標為[p])。令則剛體運動方程可以寫為：
[PvpΘωb=vp1mR(Θ)fbΨ(Θ)ωbI-1(τb-ωb×Iωb)] (4) 2 線性控制
上節(jié)所給出的無人直升機數(shù)學模型是一個不穩(wěn)定的非線性多變量模型，該模型具有的獨立控制機構要少于自由度數(shù)。然而，在忽略掉一些耦合因素可以得到一個簡單的線性化模型。主要的輸入輸出關系見表1。
考慮表1中的輸入輸出對應關系可以設計得到如下的線性控制律：
[U=Tm=k1z+k2dzdt+k3zdtTt=k′1ψ+k′2ωb3a=k4x+k5dxdt+k6xdt+k′3θ+k′4ωb2b=k7y+k8dydt+k9ydt+k′5?+k′6ωb1] (5)
其中：
[vpx=dxdt;vpy=dydt;vpz=dzdt]
任何一種線性控制算法都可以通過調整參數(shù)[ki，][i=1，2，…，9]和參數(shù)[k′i，][i=1，2，…，6]得到，本文中筆者是在懸停狀態(tài)下的LQR控制算法完成的控制器設計，該線性控制器只適合在懸停狀態(tài)下直升機的穩(wěn)定控制，但是在大機動飛行時不能保證直升機的穩(wěn)定性。
3 穩(wěn)定性分析及改進線性控制律設計
直升機的穩(wěn)定性分析采用的方法是將直升機動力學模型分解到兩個時間域內，一個是關于轉動的，另一個響應相對較慢，是關于平動的。這就使得動力學系統(tǒng)的分析更為簡單，也就是說兩個包含著兩個周期域內的分解子系統(tǒng)。因為直升機的自身重量導致了線速度是一個短周期運動可以說明該分解方式是可行的。
3.1 轉動動力學快周期子系統(tǒng)
本子系統(tǒng)由下式給出：
[Θ=Ψ(Θ)ωbωb=I-1(τf+τs-ωb×Iωb)] (6)
這里[τ=τf+τs](f指快周期，s指慢周期)是控制變量由下式定義：
[τf?K(z)ΘΘ+K(z)ωω，K(z)Θ，K(z)ω<0，?z]
[τs?KXXs] (7)
這樣的話式子(5)可以寫由式子(7)進行改進，可以保證在穩(wěn)定點附近[(?，θ) [Λ=12(ωb)TIωb-ΔΘKTΘ(Θ)Ψ-1(Θ)dΘ] (8)
這里用[ΔΘ]來替代平衡狀態(tài)[Θ0，]在滿足條件[(?，θ) [Λ=(ωb)TKω(Θ)ωb<0，?Θ∈0] (9)
從而，可以確保該子系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
3.2 平動動力學慢子系統(tǒng)
由下式給出表達式：
[P=vpvp=1mR(Θ)fb] (10)
力平衡可以記作如下形式：
[fb=ΔF+F0+R(Θ)Tmg] (11)
式中：[F0=-R(Θ0)Tmg]是平衡力，考慮如下反饋控制律：
[ΔF=R-1(Θ)Kp(z)P] (12)
這里[Kp(z)]是反饋增益，將式(11)和(12)代入可得：
[vp=1mR(Θ)ΔF+(R(Θ)+R(Θ0))mg] (13)
則在平衡點[Θ=Θ0，][ωb=0]處慢周期子系統(tǒng)動力學特性由下式確定：
[vp?1mR(Θ)(R(Θ)-1Kp(z)P)vp?1mKp(z)P] (14)
可以看出控制律(12)相對于一個反饋線性化，如果增益足夠小且增益矩陣[Kp(z)]對于所有的[z]為負值，則在[(?，θ) 4 非線性控制
由上節(jié)的控制策略來看，其只適應于在平衡點附近狀態(tài)變量變化很小的范圍內能夠保持穩(wěn)定，如果出現(xiàn)較大的狀態(tài)浮動可能重新改變控制策略，首先在尾槳控制上必須滿足狀態(tài)量從-π到π的變化。線性控制律式(5)是基于表1設計的，其給出了表中控制變量和體坐標系下狀態(tài)變量的匹配關系。在無人直升機引入偏航角計算時球面坐標系[x，][y]和集體坐標系下是不一致的。為解決這一問題，必須將控制效果作用量通過航向角坐標變換到同一坐標系下計算：
[cosψ-sinψsinψcosψk4+k5dxdt+k6xdtk7+k8dydt+k9ydt] (15)
此外在[x，][y]和[z]軸方向的位置偏差量在(-∞，+∞)內必須能夠保持直升機的全局穩(wěn)定，對于式(5)和式(15)，如果[x]或者[y]位置偏差量增加，控制變量[a]和[b]會持續(xù)增大，最終回到這直升機在滾轉通道和俯仰通道不穩(wěn)定，為了解決這一問題，引入非線性方程[μ]來形成如下非線性控制策略：
[Tm=k1z+k2dzdt+k3zdtTt=k′1ψ+k′2ωb3ab=μ(?，θ)cosψ-sinψsinψcosψ?k4+k5dxdt+k6xdtk7+k8dydt+k9ydt+k′3θ+k′4ωb2k′5?+k′6ωb1] (16)
[μ(?，θ)=1，if (?，θ)<δ00，if (?，θ)>δ0] (17)
這時，當狀態(tài)變量[?，θ]足夠小的時候，轉動動力學線性控制律起作用([μ=1])，然而，當角變化量偏大時，[μ=0]則控制變量[a和b]不受位置偏差影響而去穩(wěn)定姿態(tài)角[?和θ。]在此運算過程中可以通過模糊邏輯來計算[μ]的值，此外，可用線性控制技術來計算式(16)中的[ki]和[k′i，]通過階躍響應輸入進行仿真可得如圖3所示結果。
采用不同的非線性控制技術測試了在非線性控制律下系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，控制算法的平衡性和連續(xù)性得到了很好的驗證，通過這些控制方法的證明了其控制效果不存在導致系統(tǒng)發(fā)散極限環(huán)。
圖3 階躍響應輸入條件下系統(tǒng)的響應曲線
5 結 論
線性控制技術可用于直升機懸停狀態(tài)下的穩(wěn)定控制，在考慮到大角度機動飛行時，僅依靠線性控制算法不是能完成對直升機的穩(wěn)定控制的，引入雙子模型對動力學系統(tǒng)進行分解可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由李亞普諾夫方程可以確?？熘芷?轉動動力學)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外在穩(wěn)定點附近可以采用反饋線性化的方法來穩(wěn)定慢周期(平動動力學)子系統(tǒng)。 非線性控制技術值無人直升機的控制上是非常有用的，尤其在出現(xiàn)大角度機動飛行時能夠穩(wěn)定的控制直升機，本文中所介紹的非線性控制算法正是能夠滿足這一控制要求的算法，在該算法中由于引入了偏航角量使得直升機航行和位置控制更為精確。此外該非線性控制算法排除了直升機在滾轉角和俯仰角出現(xiàn)較大偏差時直升機失穩(wěn)的可能性，而使得直升機在非懸停狀態(tài)下也能得到穩(wěn)定的控制。在非線性反饋控制系統(tǒng)中應用諧波穩(wěn)定和連續(xù)激勵的方法也不會出現(xiàn)任何極限環(huán)或發(fā)散情況。
參考文獻
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