【正文】 dVztdt ?V?dVdt?VztV2cosβ （ 218） 無(wú)人機(jī)六自由度全面運(yùn)動(dòng)方程式的簡(jiǎn)化處理 [3] 采用微擾動(dòng)法對(duì)這些非線性的方程進(jìn)行線性化。根據(jù)牛頓定律，其運(yùn)動(dòng)方程應(yīng)由兩部分組成：一部分是以牛頓第二定律（動(dòng)力學(xué)定律）為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)方程組 (此時(shí)將無(wú)人機(jī)看作剛體 )，由此解得無(wú)人機(jī)相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的角度向量和角速度向量 ； 另一部分則是通過(guò)坐標(biāo)變換關(guān)系得出的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組 (此時(shí)將無(wú)人機(jī)看作質(zhì)點(diǎn) )，確定出無(wú)人機(jī)相對(duì)于地面坐標(biāo)系的位置向量和速度向量。為了較簡(jiǎn)單的建立合適的無(wú)人機(jī)模型，在建立無(wú)人機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，作如下假設(shè) ： l)假設(shè)無(wú)人機(jī)為一剛體 (即略去無(wú)人機(jī)彈性的影響 )，并且質(zhì)量是常數(shù) ； 2)假設(shè)地球?yàn)閼T性參考系 (即把地面坐標(biāo)系看做慣性坐標(biāo)，略去地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的影響 )； 3)對(duì)于面對(duì)稱(chēng)布局的無(wú)人機(jī)，機(jī)體坐標(biāo)系的 Oxz 平面為無(wú)人機(jī)的對(duì)稱(chēng)平面，無(wú)人機(jī)不僅幾何外形對(duì)稱(chēng)，而且內(nèi)部質(zhì)量分部也對(duì)稱(chēng)，即慣性積 0?? zyxy II ； 4)忽略地球曲率，把地球表面看成水平面 ； 5)假設(shè)重力加速度不隨飛行高度而變化 ； 6)忽略速度陀螺和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特性。本文采用兩種坐標(biāo)系 ： 在確定無(wú)人機(jī)的位置時(shí)，采用與地面固連的地面坐標(biāo)系 。在略去無(wú)人機(jī)彈性震動(dòng)和變形的條件下，無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)可看成包含六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)，其中包含繞三個(gè)軸的三種轉(zhuǎn)動(dòng) (俯仰、滾動(dòng)與偏航 )和沿三個(gè)軸的三種線運(yùn)動(dòng) (前進(jìn)、上下與左右 )。 作為被控對(duì)象的飛機(jī)，往往把三個(gè)姿態(tài)角當(dāng)作主要的被控量，在飛行軌跡的控制系統(tǒng)中 H、 Zd、 V也作為被控量。 控制量與被控量 通常利用副翼、方向舵、升降舵及油門(mén)桿來(lái)進(jìn)行對(duì)飛機(jī)的控制。 向量與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系 1)迎角 (攻角 )α速度向量 V在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)的投影，與 OXt軸之的夾角，以 V的投影在 OXt軸之下為正； 2)側(cè)滑角β ： 速度向量 V 與飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面之間的夾角，以 V處于對(duì)稱(chēng)平面之右正。 姿態(tài)角 姿態(tài)角主要描述了機(jī)體坐標(biāo)系與地坐標(biāo)系的差異。 圖 26 速度坐標(biāo)系 飛機(jī)的常用運(yùn)動(dòng)參數(shù) 飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)參 數(shù)就是完整地描述飛機(jī)在空中飛行所需要的變量，只要這些參數(shù)確定了， 飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)也就唯一地確定了。 圖 24 地面坐標(biāo)系 機(jī)體坐標(biāo)系 OXtYtZt 機(jī)體坐標(biāo)系是與機(jī)固連的坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)的重心上 ,縱軸 OXt在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正 ； 立軸 OYt也在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)并垂直于 OXt，指向座艙蓋為正 ；橫軸 OZt，與 OXtYt平面垂直，指向右翼為正，見(jiàn)圖 25。一般取縱軸 AXd為飛機(jī)的應(yīng)飛航線。 地面坐標(biāo)系 AXdYdZd 地面坐標(biāo)系是與地球固連的坐標(biāo)系。 圖 23 飛機(jī)旋轉(zhuǎn)圖 常用坐標(biāo)系簡(jiǎn)介 為了確切地描述飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須選用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，要想確定飛機(jī)在地球上位置就必須 采用地面坐標(biāo)系 ； 要想方便地描述飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)，必須采用機(jī)體坐標(biāo)系或氣流坐標(biāo)系 (速度坐標(biāo)系 )。具有常規(guī)布局飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)一般是通過(guò)升降舵 (elevator)、方向舵 (rudder)、副翼 (aileron)和油門(mén)來(lái)改變作用在機(jī)體上的力和力矩，從而達(dá)到控制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。作用在飛機(jī)上的力如圖 22所示 [36]。發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn) ， 機(jī)翼產(chǎn)生大部分的升力使飛機(jī)能夠停留在空中。仿真結(jié)果表明：我們所設(shè)計(jì)的常規(guī) PID 控制器在多數(shù)情況下還是能滿(mǎn)足要求的。在設(shè)計(jì)方法上，我們充分利用了根軌跡分析法和頻域分析法等經(jīng)典控制理論對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行了選取，從而設(shè)計(jì)出了符合要求的 PID 控制器。這一部分的內(nèi)容將作為我們后面進(jìn)行飛行控制律設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；接著， 我們將無(wú)人機(jī)的飛行控制分解為縱向控制通道與橫側(cè)向控制通道來(lái)討論。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文以國(guó)家某高技術(shù)課題為研究背景，以某型固定翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，著眼于應(yīng)用常規(guī) PID 控制技術(shù)，分別針對(duì)中空、高空、高高等空域來(lái)進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)控制律的設(shè)計(jì)，并且探討如何提高飛行控制系統(tǒng)的控制精度等問(wèn)題。 21 世紀(jì)出現(xiàn)的能夠深入戰(zhàn)區(qū)縱深，在高度 危險(xiǎn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中執(zhí)行攻擊任務(wù)的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)，預(yù)示著無(wú)人機(jī)正在向攻擊型和殺傷型轉(zhuǎn)變，并由對(duì)地、對(duì)空目標(biāo)攻擊變?yōu)榭罩懈穸?，成為一種新型精確打擊武器系統(tǒng)。在無(wú)人機(jī)發(fā)展的高級(jí)階段，而人的作用則將變?yōu)楸O(jiān)控，一切決策過(guò)程都交給了無(wú)人機(jī)自身來(lái)處理。它實(shí)際上要求設(shè)計(jì)的是具有一定自主能力的智能飛行機(jī)器人，從根本上實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的新的分工，也即通過(guò)技術(shù)進(jìn)步來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)關(guān)系人機(jī)分工轉(zhuǎn)折性的發(fā)展和演進(jìn)。當(dāng)任務(wù)非常復(fù)雜時(shí)，實(shí)際上是對(duì)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器智能化。飛行控制的發(fā)展過(guò)程是人機(jī)分工的演進(jìn)過(guò)程，人機(jī)分工的過(guò)程代表了自主控制從低到高的發(fā)展階段。例如，在客機(jī)上，飛行控制技術(shù)使飛行員的主要精力不再用在飛行上，而是監(jiān)控和決策；在戰(zhàn)斗機(jī)上，飛行控制技術(shù)使飛行員將主要精力投入到執(zhí)行各類(lèi)戰(zhàn)斗任務(wù)中。在控制的初期，飛行控制不斷地替代飛行員的飛行能力，從而使飛行員由傳統(tǒng)意義上的“飛行”向著“任務(wù)”的角色轉(zhuǎn)變。具體地說(shuō)，自主性減小了無(wú)人機(jī)對(duì)上下行通信鏈路的依賴(lài)程度 ,減少了需要交換的信息量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)健康診斷和自修復(fù)，減少了摔機(jī)事件的發(fā)生 ，針對(duì)任務(wù)和威脅態(tài)勢(shì)的變化實(shí)時(shí)的進(jìn)行線路的重規(guī)劃等。自主控制的挑戰(zhàn)就是在不確定性的條件下，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地解決一系列最優(yōu)化的求解問(wèn)題，并且不需要人的干預(yù)。半自主控制指任務(wù)控制站根據(jù)最新的形勢(shì)感知結(jié)果實(shí) 時(shí)生成任務(wù)計(jì)劃，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈飛行中加載到無(wú)人飛行平臺(tái)，平臺(tái)控制系統(tǒng)根據(jù)飛行中重加載的任務(wù)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)必要形勢(shì)感知、決策和管理，執(zhí)行所賦予的任務(wù)。 針對(duì)以上狀況，很自然可以提出這樣一個(gè)問(wèn)題，即如何最大程度地給無(wú)人機(jī)賦予智能，實(shí)現(xiàn)其自主飛行控制、決策、管理及健康診斷和自修復(fù)，從而在某些領(lǐng)域取代有人駕駛飛機(jī)的作用?，F(xiàn)在相當(dāng)多的無(wú)人機(jī)損失不是由于敵方的行動(dòng)造成的，而是由于其本身可靠性差、生存能力低造成的。同時(shí)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)在遭遇危險(xiǎn)時(shí)不伴隨人員傷亡，所以在實(shí)施高空偵察的過(guò)程中，有時(shí)為了拍攝準(zhǔn)確圖像，通常要求它實(shí)施超低空偵察飛行，這樣較易被地面火力擊中。自身攜帶的傳感器少，執(zhí)行任務(wù)時(shí)，無(wú)法及時(shí)判斷地面目標(biāo)的真假，需要在很大程度上依賴(lài)離機(jī)的各種傳感器來(lái)獲取信息，這就存在著一個(gè)大量信息流如何管理的問(wèn)題，同時(shí)，由于是非實(shí)時(shí)的決策判斷，往往會(huì)延誤戰(zhàn)機(jī)和作出錯(cuò)誤判斷。目前世界上已投入使用的多種長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)一般都采用程控和指令控制的方案，但這種控制方式使得無(wú)人機(jī)嚴(yán)格按照預(yù)編程序飛行，當(dāng)遇到空中威脅時(shí)，不能做到先機(jī)制敵或改變航線；當(dāng)任務(wù)變更或威脅態(tài)勢(shì)發(fā)生變化時(shí)， UAV 也無(wú)法及時(shí)的升級(jí)任務(wù)需求，以致延誤戰(zhàn)機(jī)或造成嚴(yán)重的后果。整個(gè)過(guò)程中通訊鏈路的可靠和暢通無(wú)疑是整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，當(dāng)通信鏈路不可靠或不暢通的時(shí)候，無(wú) 人機(jī)將失去控制。一方面要求機(jī)載設(shè)備的自動(dòng)化程度較高，要有安全可靠且冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)鏈。具體的存在以下弱點(diǎn)： 1．目前無(wú)人機(jī)的控制方式主要包括遙控和程序指令控制，控制方式落后。但面對(duì)新形式下的作戰(zhàn)需求，現(xiàn)在的無(wú)人機(jī)又顯得力不從心。中國(guó)生產(chǎn)的各種型號(hào)的無(wú)人機(jī)，基本上滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)軍需民用，并且逐步走向國(guó)際市場(chǎng)。 中國(guó)無(wú)人機(jī)的研究始于 50 年代后期， 1959 年已基本摸索出安 2和伊爾 28兩種飛機(jī)的自動(dòng)起降規(guī)律。無(wú)人機(jī)按其用途和性能確定其屬性和全稱(chēng)，如 :靶標(biāo)無(wú)人機(jī)、偵察無(wú)人機(jī)、無(wú)人誘餌機(jī)、電子對(duì)抗無(wú)人機(jī)、攻 擊無(wú)人機(jī)、戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī) 。在軍事領(lǐng)域，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)和偵察，可以減少人員的傷亡，還能具有超高過(guò)載的機(jī)動(dòng)能力。究其原因，用無(wú)人機(jī)替代有人駕駛飛機(jī)可以降低生產(chǎn)成本，便于運(yùn)輸、維修和保養(yǎng)，而且不用考慮人的生理和心理承受極限。無(wú)人機(jī)的研制成功和戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)用，揭開(kāi)了以遠(yuǎn)距離攻擊型智能化武器、信息化武器為主導(dǎo)的 “ 非接觸性戰(zhàn)爭(zhēng) ” 的新篇章，由此引發(fā)了無(wú)人機(jī)及其飛行控制研究的熱潮。在 1982 年的中東戰(zhàn)爭(zhēng)中 ,以 色列在貝卡谷地交戰(zhàn)中，用 “ 偵察兵 ” 和 “ 猛犬 ” 無(wú)人機(jī)誘騙敘軍的地空導(dǎo)彈的制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)，偵查獲取了雷達(dá)的工作參數(shù)并測(cè)定了其所在位置。 60 年代以后，隨著微電子技術(shù)、導(dǎo)航與控制技術(shù)的發(fā)展，一些國(guó)家研制了無(wú)人駕駛偵察機(jī)，美國(guó)率先研制成功無(wú)人駕駛偵察機(jī)，并開(kāi)始用于越戰(zhàn)。 40 年代，低空低速的小型活塞式靶機(jī)投入使用。因此，研究無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義， 尤其是在軍事上的重要性己經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外的高度重視，而無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)能夠安全、有效地完成復(fù)雜戰(zhàn)術(shù) 、 戰(zhàn)略使命的基本前提，因此迫切需要加強(qiáng)該 領(lǐng)域的研究工作 。 由于無(wú)人機(jī)具有低成本、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn) ， 因此深受世界各國(guó)軍隊(duì)的廣泛歡迎，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。世界各國(guó)空軍于 20世紀(jì) 50 年代大量裝備了無(wú)人駕駛飛機(jī)作為空靶。 20世紀(jì) 30 年代初無(wú)線電操縱的無(wú)人靶機(jī)研制成功。 1918 年德國(guó)也研制成第一駕無(wú)人駕駛的遙控飛機(jī)。這是一架無(wú)線電操縱的小型單翼機(jī)，由于當(dāng)時(shí)的許多技術(shù)問(wèn)題，所以試驗(yàn)失敗。 1915 年 10 月德國(guó)西門(mén)子公司研制成功采用伺服控制裝置和指令制導(dǎo)的滑翔炸彈，它被公認(rèn)為有控的無(wú)人機(jī)的先驅(qū)。 無(wú)人機(jī)在航空業(yè)已有一百年的歷史了。 無(wú)人機(jī)即無(wú)人駕駛飛機(jī)，也稱(chēng)為遙控駕駛飛行器 ， 是機(jī)上沒(méi)有駕駛員，靠自身程序控制裝置操縱，自動(dòng)飛 行或者由人在地面或母機(jī)上進(jìn)行遙控的無(wú)人駕駛飛行器，在它上面裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)著陸系統(tǒng)等，通過(guò)這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制飛行。與此同時(shí)，對(duì)無(wú)人飛機(jī)的研究也悄然拉開(kāi)了帷幕。 1903 年萊特兄弟的飛行成功，使人類(lèi)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。 Secondly, the introduction of some monly used PID Controller Parameters Tuning, flight control law design as the theoretical basis。仿真結(jié)果表明，我們所設(shè)計(jì)的常規(guī) PID 控制器在多數(shù) 情況下能滿(mǎn)足要求。 本文以某型固定翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，主要研究了基于常規(guī) PID 的無(wú)人機(jī) 橫側(cè)向飛行控制律的設(shè)計(jì)問(wèn)題。無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng) 研究 摘 要 隨著無(wú)人機(jī)在軍民兩用領(lǐng)域越來(lái)越多地發(fā)揮重要作用，無(wú)人機(jī)研究也越來(lái)越多地得到世界各國(guó)的普遍重視。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)的控制核心，是無(wú)人機(jī)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題 。 首先，建立了無(wú)人機(jī)的六自由度數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用小擾動(dòng)線性化方法建立了無(wú)人機(jī)縱向與橫側(cè)向系統(tǒng)的線性化方程 ； 其次，介紹了一些常用的 PID 控制器參數(shù)整定法，作為飛行控制律設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) ； 再次，采用常規(guī) PID的方法 進(jìn)行了橫側(cè)向系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同空域的一些典型的狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了大量的仿真研究。 關(guān)鍵字： 無(wú)人機(jī) ，常規(guī) PID，飛行控制率，滾轉(zhuǎn)角，仿真 UAV’s（ Unmanned Aerial Vehicle） flight attitude stability control system research ABSTRACT With the UAV in the field of military and civilian use more and more important role to play, UAV study countries in the world more and more widespread attention. Automatic flight control system as the core of UAV control is the focus of UAV research and hot topics. Based on a high state technical issue as the research background, taking a unmanned aerial vehicle for research object, mainly studies based on the classical PID unmanned aerial vehicle flying control law design problem. First, Six degrees of freedom to establish a mathematical model of the UAV, and the use of small perturbation linearization method to establish a UAV system, the longitudinal and lateral linear equations。 Again, conventional PID lateral approach to the design of system control, and airspace for a number of different points of the typical state of a large number of simulation. Simulation results show that