第三章无人直升机的飞行控制技术

第三章无人直升机的飞行控制与管理系统第三章无人直升机的飞行控制与管理系统主要内容1.概述2.飞行控制系统设计3.机载计算机4.导航与制导设计5.飞行仿真6.任务设备的控制管理第三章无人直升机的飞行控制与管理系统1、概述地位与作用：飞行控制与管理系统是无人直升机的关键系统之一。飞行控制系统是完成起飞、空中飞行、执行任务、返场着陆等整个飞行过程的核心系统。对无人直升机实现全权限控制与管理，对无人直升机的功能与性能起关键决定性作用。与有人直升机相比的特点：1、飞行控制范畴不同2、飞行控制功能与作用不同3、飞行控制设计思想不同第三章无人直升机的飞行控制与管理系统1.概述组成：传感器、机载计算机、伺服作动设备。功能：1、无人直升机姿态稳定与控制2、自主导航飞行与航迹控制3、起飞着陆控制4、飞行管理5、任务设备的管理与控制6、应急控制7、信息收集与传递第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•2.1飞行控制系统的工作原理直升机运动包括姿态运动和轨迹运动。驾驶员驾驶直升机就是控制直升机的姿态运动和轨迹运动。飞行控制系统就是一个能够部分或者全部代替驾驶员直接控制它的姿态运动和轨迹运动，并能改善飞行品质的控制系统，即在无人直接参与条件下自动地控制直升机飞行的一套控制系统。第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计自动驾驶仪自动倾斜器计算放大装置执行机构测量元件驾驶杆直升机自动控制稳定直升机受干扰运动过程驾驶员稳定直升机受干扰运动过程飞行员自动倾斜器大脑胳膊手眼睛地平仪驾驶杆直升机第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计基本功能•自动驾驶功能。如姿态保持，航向保持，高度保持等。•改善直升机操纵性、稳定性（飞行品质）功能。•能够实现航迹控制、自动导航、自动着路、垂直升降、自动悬停、自动过渡飞行等功能。第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•2.2飞行控制系统的设计要求在系统初步设计的基础上，结合通用规范的选择与剪裁，得出飞行控制系统设计的纲领性文件，主要包括系统级设计要求控制律设计要求机载计算机设计要求传感器选择与安装设计要求伺服作动设备设计要求飞行控制软件设计要求接口设计要求系统试验要求等第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•系统级设计要求——顶层系统通过功能、性能指标分解而形成的对飞行控制系统的要求。•功能要求：自动飞行控制功能、地面遥控功能要求、状态检测与故障处理功能、飞行管理功能、任务设备管理功能•性能指标要求:姿态航向稳定与控制精度和响应时间要求，高度保持精度要求，空速保持精度要求、模态切换要求、抗风能力要求、稳定余度要求等•接口交联关系要求:飞控系统与管理系统的机械、电气接口特性、通信帧结构•地面监测与控制要求：遥测数据种类、数量、显示布局、处理方法、指令设置，功能、按键等等•设备安装要求•设备供电要求第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•控制律设计要求——由顶层设计中通过系统功能、性能指标分解而形成的由控制律来实现的功能和性能要求。•多模态控制功能要求：姿态、航向、高度等等•控制性能指标要求：控制精度与响应时间•稳定性要求：幅值裕度大于6db，相角余度大于45度•模态转换瞬态要求：转换瞬态不引起较大波动第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•机载计算机设计要求——由飞控系统顶层设计决定•外部接口要求：模拟量，数字量•计算机配置要求：字长、运算速度、存储量、采样频率、中断级别、定时器个数、编程语言、余度配置、自检功能等等•结构设计要求：结构形式、环境适应性、电磁兼容性、维修性、安全性第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•传感器选择与安装要求•角速率传感器：测量范围、精度、输出特性、带宽•姿态传感器：测量范围、精度、输出特性、带宽、安装精度要求•高度、空速传感器（大气数据计算机）：测量范围、精度、安装要求•位置传感器：惯性导航、bd、glonass、gps第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•伺服作动设备设计要求•性能要求：额定输出力矩、偏转范围、频带、间隙和零位误差、跟踪精度•外形尺寸与安装要求：第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•飞行控制系统软件设计要求•功能要求：上电启动与任务调度、输入输出处理、自动飞行控制、遥控指令处理、构形控制、状态监测与故障处理、导航控制与管理、遥测数据收集与编码发送•性能要求：运行时间要求、存储量要求、控制精度要求•接口要求：•安全性要求：第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•接口设计要求•模拟量接口：阻抗匹配、电压、极性、单端差分输入方式、转换精度、分辨率•开关量要求：接口间隔离、驱动能力、电平定义、阻抗匹配•数字量：接口类型（rs232、rs485、arinc429），通信方式，波特率、帧格式、屏蔽要求•频率量接口：频率量接口电平、极性、阻抗匹配、输入输出频率范围、精度等第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•系统试验要求•飞行控制系统综合试验•飞行控制系统与交联系统联合试验•飞行控制系统与仿真系统综合试验•飞行控制系统半物理仿真试验•飞行试验第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•2.3飞行控制律设计•飞行控制律设计是飞行控制系统的一个重要组成部分，它是指令与各种外部信息到飞机执行机构的一种映射关系。飞行控制律的设计就是确定这种影射关系，使无人直升机在整个飞行包线内符合所要求的品质。飞行控制律的设计是根据系统研制任务和顶层设计文件。•控制律结构——首先明确无人直升机的控制舵面：总距、油门、横向周期变距、总向周期变距、尾桨距，根据对无人直升机的飞行性能要求以及无控直升机的飞行动力学特性确定控制律结构。•下面给出一种无人直升机的控制律结构第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构反馈控制器的内/外回路的结构图第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)大气数据计算机舵回路SHKHKgHH高度控制解除滤波陷波限幅限幅手动解除_CollectivePitch升降速率控制回路第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)偏航角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅rrK航向手动解除_colbuchangK_CollectivePitch_TailPitch航向增稳控制回路第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r)纵向和横向增稳控制回路角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅俯仰手动解除qK_LongitudinalPitchq滤波陷波pqpK角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅滚转手动解除q滤波陷波p_LateralPitchpKpqK第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构acah(w,pitch,roll,r)角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅俯仰手动解除qK_LongitudinalPitchq滤波陷波pqpK垂直陀螺滤波陷波1/ss_PpitcchK_IpitcchK_DpitcchK限幅限幅限幅限幅gPitch角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅滚转手动解除q滤波陷波p_LateralPitchpKpqK1/ss限幅限幅限幅限幅gRoll_ProllK_IrollK_DrollK垂直陀螺滤波陷波俯仰角外回路设计结构图滚转角外回路设计结构图第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅俯仰手动解除qK_LongitudinalPitchq滤波陷波pqpK垂直陀螺滤波陷波1/ss_PpitcchK_IpitcchK_DpitcchK限幅限幅限幅限幅gPitchGPS精确惯导组件洗出滤波滤波坐标变换_ubK滤波限幅gu_ubK速度保持解除u大气数据计算机小速度时大速度时外回路前向速度控制结构图第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH角速率陀螺舵回路滤波陷波限幅滚转手动解除q滤波陷波p_LateralPitchpKpqK1/ss限幅限幅限幅限幅gRoll_ProllK_IrollK_DrollK垂直陀螺滤波陷波GPS精确惯导组件洗出滤波滤波坐标变换滤波v_vbK限幅速度保持解除_vbKgv外回路横向速度控制结构图第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•无人直升机的飞行控制律参数设计•无人直升机控制律参数设计是在确定控制结构的基础上进行的。小扰动线化模型采用适当的理论进行参数设计是否满足规定的指标要求全量非线性仿真（非线性、滤波器）是否满足规定的指标要求半物理仿真试验（真实的飞控部件、强调实时）是否满足规定的指标要求试飞验证第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•控制律的切换•无人直升机在不同的飞行阶段需要采取不同的控制律，这必然存在前后两个控制律之间的切换。为了抑制控制律切换引起的舵面跳变，避免大扰动、大过载，需要采用控制律切换瞬变抑制措施。•1、双模态同步运算瞬变抑制•2、单模态运算瞬变抑制()()()()()()(1)sssattattsttAtCtttAteBte()()()()()(1())sAsAsAtttCtKtAtBtKttt1()/()0sssssAstttTttTKtttT第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•精确引导设备的选择1、全球定位系统2、区域定位系统3、地面辅助引导设施4、视见引导精确引导设备的存在为无人直升机的自主起飞与降落提供了可能，要实现自主起飞与着陆，还需要进行控制律的深入设计。第三章无人直升机的飞行控制与管理系统2.飞行控制系统设计•2.4发动机控制•无人直升机上的发动机控制一般可以分为开环控制和闭环控制。开环控制仅适用于剩余功率大、转速稳定的微型无人直升机，其优点是控制简单方便，但是控制品质差，对于飞行中可能遇到的干扰扰动抑制效果差。目前发动机控制大都采用闭环控制：转速控制器风门控制器发动机旋翼转速转速给定前馈补偿第三章无人直升机的飞行控制与管理系统3.机载计算机•3.1机载计算机功能从飞行控制的角度看1、姿态稳定与控制2、导航与制导控制3、自主飞行控制4、自动起飞与着陆从飞行管理的角度看1、飞行管理2、任务设备管理3、余度管理从信号处理的角度看1、实现飞行控制模态的控制和转换2、实时计算控制律并生成相应的控制指令3、接受传感器输出的飞行状态和飞行参数进行处理4、飞行控制指令的输出与管理5、飞行控制系统与其他外部系统的信息交换与管理6、航路信息的预装定与存储7、自检测并输出结果第三章无人直升机的飞行控制与管理系统3.机载计算机•3.2机载计算机的类型与组成•按照对信号的处理方式可以将机载计算机分为模拟式、数模混合式、数字式。目前广泛采用数字式计算机主处理运算单元模拟输入接口电路离散量输入接口电路数字通信接口电路模拟输出接口电路离散量输出接口电路辅助电路数字式计算机第三章无人直升机的飞行控制与管理系统4.导航与制导设计•4.1导航系统的功能与分类•将无人直升机按照规定的计划和要求，从起始点引导到目的地的过程称为导航。用来完成上述引导的设备称为导航系统。•功能：1、获得必要的导航要素，高度、速度、姿态、航向；2、给出满足精度要求的定位信息：精度、纬度；3、引导飞机按规定计划飞行；4、接收预订任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理；5、接收地面指挥控制站的导航模式控制指令并执行，并具有指令导航模式与预订航线飞行模式相互切换的功能；6、具有接收并融合无人机其他设备的辅助导航定位信息的能力；7、配合其它