无人机飞控系统的仿真研究.pdf资源-CSDN文库

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无Ａ瓿飞控慕缝羽仿真研究

摘

要

本文以国家某商技术课题为研究背景，以菜黧固定翼光入机为研究对氟，主要研

究了基于常规ＰＩＤ和智能Ｐ１Ｄ的无人机飞行控制律的设计问题，首先，德立了无人

枧的六照ｌ圭ｌ度数学模溅，势运用小扰动线性他方法翔系数冻缡法分剐建立了无人枫纵

囱与横翎淘系统豹绫梭纯方程；繁次，夯缓了一魑常爰静ＰＩＤ控臻《器参数攘建法霸智

能ＰＩＤ控制的基本思想，作为飞行控制律设计的理论基础；鞭次，分别采用常规ＰＩＤ

和智能ＰＩＤ进行了纵向系统与横侧向系统控制的设计，著针对不同空域的一些典型的

、跌忿点逑嚣了大量豹蘩囊疆究。镑寨结累表明，我鲷瑟设谤瓣零溪ＰＩＤ控剿嚣在多数

情况下能满足要求，镏能ＰＩＤ控制器刚具备更强的鲁棒性，能适应不同空域中更多的

状态点。

关键诩；无人机，常规Ｐ１Ｄ，智黼ＰＩＤ，飞行控制律，俯仰角，滚转角，仿真

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疆士豫文

无走瓠飞控幕壤鹄嵇奏研究

１绪论

ｌ。董无天视篱介

光八机（Ｕｎｍａｎｎｅｄ

Ａｅｒｉａｌ

Ｖｅｈｉｃｌｅ，缩写为ＵＡＶ）又称“空中机器人”，是一种

Ｅ虹动力驱动、桃上嚣人驾驶、可鬟复使用的航空骚的简称ＩⅢ。它大体上是妇无人枫载

箨、避嚣链设冬≤秃线遣控裁、经务整获，鬟射薅竣等莛黪装霪）瑗爱鸯效受蓊三整

分组成的。根据无入机的结构、飞行时间．飞行距离或执行俄务的性质等特点我们可

以把铝划分成不同种擞。从总体缩构来看。无人机有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼、

旋翼／强定翼之分；掇据活动半经移续靛蹿瓣。蠢太糖可太钵努为近程、缀程、孛疆

弱遮耧巍类；鬏蕹溺途，我稍叉谢潋挹无入枫分为军焉稳氐鼹嚣大类。

觅入机是１９１７锥由英国首先研制成功的。厦然它问世融久，但直剿２０世纪５０

年代才褥瓢了宾芷的发展。当时世界各国空军开始大量装备光入机，将其傩为空靶使

震。裁嚣，美霆率兔磅剿藏珐嚣夫驾驶赣察税，著器鲶霆予越蠛。囊了黝年钱；秃

人机得剿了更为广泛的应用。在１９８２年的中求战争中，以德列在贝卡铸地交战巾，

用“侦察是”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空导弹的制导臀达开机，侦豢获取了辔

这的工佟参数并溅定了其所在位麓。嚣太撬翡飞速发震是在海湾酸争蘑，娃美嚣兔蓄

秘多国鼯驮翡无入枫在海湾攘争审成功遮完成了藏蘩谈察、火淹寝莉、逶精孛继翔电

子对抗镣任务。在科索沃战争中，装国及北约盟国总共使用了近３００多架灏人机当开

路先锋，用于中低空缺察和长时间敞场监视、墩子对抗、战况浮倦、县橼定位、收集

慧象瓷辩、营救飞孬爨秘毅茨健犟簿谨务。褒蘸蘧黯霹塞汗靛反惫蘸争审，无太辍荑

是大鼹巍手，成了追捕拉登及其蒸地成员的有效兵器，尤其熬对基地组织成员发动的

空袭，开创了无人机运用的先河。新世纪之初，：冤人机的发展进入了一个崭新的时代

§释拣戆各箕、技术宄遽、薅途广泛夔赣墅援耱灸长靛对笼入橇、竣ｉ｝秃入挺寝徽墅

无入枫蒋不辑涌现。２００ｔ年，荚潮的“全球艨”串窆长靛辩无入辊完藏了越洋飞行，

创造了航程和飞行时问的世界记激。“捕食者”中空长航时瓣人机在美埘阿富汗的空

袭中，罄次挂载了导弹对阿富汗的蛾面豆标遴褥了实弹攻氆，扶露舞剑了笼入极执纷

黯邈玫逡强务嚣竞秘。

ｊ堙年来，无人机的使用范幽融拓展至军攀、民用和科研三大领域：柱帑事上，可

用于侦察监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估、骚扰诱惑、对地（海）

攻毒、秘标搂拯秘擎麓硬警等；在民矮上，掰疆于夫速溅羹、城市拜壤稔溅、遮簿资

源赫测帮森耩貉灭、农弛赣测、黛遥、民渭孕艇、环境保护、边凌述逻葛羧稍、自熬

灾害的监视与救援游：在科研上，可用于大气研究、气象观测、对核生化污染区的采

榉与监控、薮技术额设备移新飞行器蛇试验验诞等。

笼入壤广泛鳃癍藤徐僮，戈箕是在军事上懿重要挂毯褥赘了蓬赛备嚣静蠢囊羹

磺：ｂ论文

懋人机飞控系统的仿真磅究

视，目前。研制和使用冤人机的国家包括美国、以戗列、俄罗斯、中国、日本、南非

锋３０多个。无入机的綦术裂数也已埔加到了３００多种。与有人机相比，无人机具备

如一Ｆ饯点：煞一，残本低，效费魄好，一般成本仅为骞入规豹凡÷分之一甚至建酉分

之一，而且其使用维护费鞠低；第二，死入员伤亡和被俘静风险。可深入馥军辍深军

事要地上空实施侦察和作战：第三，，圭存力强，有较强的突防能力；第四，机动性好。

小型无人机体积小，重爨辍，不要求商专门设备和机场起降，从黼便于跟随野战部队

行动孬菠。燹久楗这些猿特豹往越毪健獒癍羯簇域褥疆迅速扩大，整赛各霪嚣戆嚣鲶

竞相发展备种功能和用谂的无人驾驶飞行器，全球范围内开始掀趱了无入机研制的热

潮。据预测光人机正以每ｌＯ年翻一番的速度发展，到２０１０年全球的无人机总数预计

将突破１２万黎。

在强醯滗久耄ｆｔ技术的疆究领域，茨匿一直处于领先遮位，醣色列紧随其瘊。我国

也已推出过多种型号的无人机，例如南航研制的长空一号无人机和北航研制的长虹一

号觅人机。缎与国外的磺究成果相比，仍处于起步阶段，还有缀多关键技术问题尚在

秘多载摸索骄究审。

今后，无人机将朝蒲更大的航程、更长的飞行时间、更高的吲靠性、更大的升限

和飞行速度等方向发展。同时，具有特定用途的微趔无人机也将太显身手。总之，随

着裹技术在纛入掇土豹不疑应蠲，无入壤豹撵战能力：｝冬会持续掇褒。在来泉ｆ撬场上，

特剐是未来的空中战场上，无入辊必将发挥越来越黧簧的作用。

１．２

飞控系统发展概述嘲Ⅱ１

对予纛入鞔瑟吉，篡爨动飞行控鼷系绞（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｆｌｉｇｈｔ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｓｙｓｔｅｍ）豹设

计是至关熬要的。无入械各项性能（戗括起飞着陆健能、作业飞幸子性能、飞行蜜全可

靠性能、系统的自动化性和可维护性筠）的优劣｜；ｆＪ『一｛ｂ！大程度上都鞭决于其飞控系统的

设计。因北，磺究无人枫的自动飞行控制技术其露十分重要的现实意义。

自动飞行控潮系绫豢耪是在舂入税上实凌蕊。１９１２年。美黧豹Ｅｌｍｅｒ．Ｓｐｅｒｒｙ鞫毽

的儿子Ｌａｗｒｅｎｃｅ研制成功了世界上第一台自动驾驶仪（电动陀螺稳定装置），阁来保

持飞机稳定平飞，从而歼刨了自动飞行控制的先河。早期的飞彳予控制就是利用自动驾

驶搜来稳定飞孬燕运动豹。二竣麓瘸，荚冒裁造了功缝完善豹Ｃ＊ｌ邀气式蠡动驾驶搜。

战后，飞机自动驾驶仪逐渐与飞机上其它装置耦会起来以控制航迹（定商、自动下滑

等），从而既能稳定飞机，又能达到全面控制飞机的目的。５０年代以前的翻动驾驶

仪主要用寒保持轰炸执朔运输祝的乎飞。但随着飞机性能的提嬲（例如飞镗魏线的扩

大），飞梳的自然特瞧辨始下降（铡翔动态隧藩褥往的瑟纯鞍戆态稳定性的辫低），

从而提出了安装自动控制系统来改蒋飞机性能的薅求。

到了６０年代，自动驾驶仪开始发展成为飞行自动控制系统。典型产品如美国的

２

硕士论文

无人机飞控蔫《统的仿寞研究

ＰＢ一２０Ｄ飞行自动控制系统。１９６６年我国第一螽自动驾驶仪（６２１自动驾驶仪）研制

痰臻·由于瓣学接拳翁发震窝客溪上霞要，辩飞橇豹毪戆鬟爨了越来越豢瓣要求。哭

考虑气渤布局、机体结构设计和发动机三方谢枷调配合，已无法解决固有矛盾，很难

设计出预期的飞行器。于是，随控御局飞行器设计的概念得以提出，即在设计之初就

考虑了控制系统，以达到气动毒麓、搬俸结栋、发动壤鞋及按涮系统四方疆靛谐调。

饲翔飞税自身可设诗成静不稳定酌，其稳定槛掰幽飞行自动控制系统来绦证。扶魏，

飞行自动控制系统便成为了飞机的一个密不可分的组成部分。

７０年代，出现了数字式飞行控制系统和电传操纵系统，它便于和机上其他系统

稳交联，是主动武鹣飞霞控鞠系绫。８０季筏敬螽，飞孬控潮系统嚣戆餐潢靛空综合

纯系统的方向发展。它把飞行系统、火力系统、导航系统、驻示系统等耦念成综合飞

行，使得这些系统能照好的协同工作。从而完成飞行任务。

睫壤控制理论戆发展，薮型按潮概念鳇掇嫩，毅设诗方法豹应用，鄂大大摆动移

健逶了一代又一代飞控系统的设计和使用。越岁｝，电子技术，特别是微数字计算枫的

使用和蒋及，也为飞控飞行控制技术的进步和飞行控制系统功能的增强提供了极好的

条件。

与豢溪豹骞入辍蠲耗，天入钒对于其飞程按澍系统靛竣诗蕤窭了一黧薪翡要求。

首先，由于人不参与无人机的操纵。所以要求无人机能实现自主的姿态、速度、航迹

等控制；其次，无人机在运行过程中需要完成从任务指令到一系列子任务和操纵指令

的调度秘决策；孬次，无入机在遴副突发馈凝下（氇据捧赛豹繇境秘内在豹故障）婺

求自动检测至ｄ放障势翻复到“安奄”豹状态。针对无入枫的这些特性，广大科研工作

者开始对一些先进飞行控制系统的设计方法进行了大量的研究，如智能控制、鲁棒控

制、神经网络控制、自主控制（航迹规划）、故障诊断等。

耱蓑褒健簸空羧寒豹不琴发袋、集残工慧羧术豹撵毫、嚷予饔诗算机技寒豹司臻

完善，我们可以预料。在新型控制理论、新型数字计算机和离性能飞机结构布局结合

下，性能好、可靠性高、综合化能力强的新型飞行控制系统将会越来越多的山现。锷

髓纯、综会诬、数字讫帮裹可靠瞧瓷是今怎无久撬自动飞耱控制系统鲍发展趋势。

１．３本文的研究背景及内容安排

本文以国家某高技术课题为研究背景，以菜型固定翼无人枫为研究对教，着眼于

应用露援ＰＩＤ与饕缝ＰＩＤ控翱技术，分剐赞黠孛空、寒窆、裹裹等空域寒进孬无入

机飞控系统控制律豹设计，并且探讨如何提高飞行控制系统的控制精皮，增强控制酌

算法镶棒性等问题。

蒋先。我们建囊了无人枫的六自由度数学模型，其中包搔非线性动力学方程缀翻

运韵警方程缝，然爱逡霜，ｊ、抗动线蛙纯方法帮蘩数冻结法分剃建立了无入骞毛缴囱运动

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