無(wú)人機(jī)自主著陸高度控制系統(tǒng)的研究

無(wú)人機(jī)自主著陸高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究目錄第一部分研究背景第二部分自主控制第三部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四部分總結(jié)與展望B1.1無(wú)人機(jī)的起源1903年12月17日，美國(guó)萊特兄弟駕駛“飛行者1號(hào)”成功飛行，實(shí)現(xiàn)了人類的飛天夢(mèng)想，起始了人類的航空史。飛機(jī)的發(fā)展主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)跨越：一是就飛行動(dòng)力和速度而言，飛機(jī)從過(guò)去的以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的亞聲速飛行時(shí)代，發(fā)展到當(dāng)前的主要以噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的超音速時(shí)代；二是就飛行駕駛而言,從過(guò)去的有人駕駛,發(fā)展到當(dāng)前的自動(dòng)駕駛和無(wú)人駕駛。未來(lái)將是無(wú)人駕駛飛機(jī)的時(shí)代。鑒于其獨(dú)有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等諸多優(yōu)勢(shì),其使用范圍已拓寬到軍事、民用和科學(xué)研究三大領(lǐng)域。BC1903年12月17日，美國(guó)萊特兄弟駕駛“飛行者1號(hào)”成功飛行1.1無(wú)人機(jī)的起源1917年生產(chǎn)的凱特靈空中魚(yú)雷號(hào),擁有可拆卸機(jī)翼，并且可以巧妙地從裝有滾輪的手推車起飛1935年生產(chǎn)的蜂王號(hào)，在此之前的空中飛行器飛不回起飛點(diǎn)，蜂王號(hào)的發(fā)明，使得無(wú)人機(jī)能夠回到起飛點(diǎn)，使得這項(xiàng)技術(shù)更具有實(shí)際價(jià)值BD1.2人機(jī)關(guān)系的三個(gè)階段信息決策控制信息決策控制復(fù)雜決策信息決策控制機(jī)人（在機(jī)）機(jī)（相對(duì)簡(jiǎn)單）機(jī)機(jī)機(jī)（復(fù)雜）人在環(huán)在有人駕駛飛行器情況下,人在控制環(huán)節(jié)中起主導(dǎo)作用,一切決策問(wèn)題均由人來(lái)完成在無(wú)人機(jī)自主控制的初級(jí)階段,人不在機(jī)但在環(huán),僅參與復(fù)雜決策在無(wú)人機(jī)自主控制的高級(jí)階段,人不在機(jī)也不在環(huán),即人不參與控制也不參與決策,只是在適時(shí)的時(shí)候參與監(jiān)控機(jī)機(jī)機(jī)BCD2.1自主控制具有自主性或自主能力的控制過(guò)程都可以稱作自主控制,由于缺乏人為直接的控制決策,其含義強(qiáng)調(diào)“無(wú)外界控制干涉”,以及“自我控制決策”,從這個(gè)意義上講,自主控制可以看成是自動(dòng)控制的高級(jí)發(fā)展階段。如果從智能程度上看常規(guī)的自動(dòng)控制和自主控制,二者的區(qū)別在于常規(guī)的自動(dòng)控制是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的,幾乎不具有智能，而自主控制的產(chǎn)生則是信息,甚至是知識(shí)驅(qū)動(dòng)的,可以具有很高程度的智能?；蛘哒f(shuō),自動(dòng)控制是基于對(duì)模型和環(huán)境確定性的認(rèn)識(shí)和估計(jì)而事先設(shè)計(jì)和安排好的，并且對(duì)控制對(duì)象的建模己基本確定。自主控制則具有在線模型辨識(shí),自主決策,自我調(diào)節(jié)、恢復(fù)等能力,當(dāng)環(huán)境和模型發(fā)生變化時(shí),它能夠在線調(diào)整控制率以便達(dá)到我們的要求。BD2.2自主控制的結(jié)構(gòu)人機(jī)接口環(huán)境感知知識(shí)基組織器分配器協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器硬件控制器硬件控制器UAV組織級(jí)最高決策協(xié)調(diào)級(jí)控制管理執(zhí)行級(jí)執(zhí)行器智能遞增精度遞增分層遞階控制結(jié)構(gòu)框圖BCD3.1無(wú)人機(jī)的四種回收方式1.傘降回收：無(wú)人機(jī)上帶有降落傘,它按照預(yù)定程序或在遙控指揮下到達(dá)回收區(qū)上空,然后自動(dòng)開(kāi)傘或根據(jù)遙控指令開(kāi)傘,降落在陸地上或水面上。2.空中回收：其開(kāi)傘的程序與傘降回收方式相同,當(dāng)無(wú)人機(jī)打開(kāi)降落傘在空中飄落時(shí),用直升機(jī)等回收母機(jī)在空中將無(wú)人機(jī)回收,然后攜帶回場(chǎng)著陸。BCD3.1無(wú)人機(jī)的四種回收方式3.攔阻回收：無(wú)人機(jī)在地面無(wú)線電遙控下,降低高度,減小速度,對(duì)著攔阻網(wǎng)飛去。攔阻網(wǎng)由彈性材料編織而成,網(wǎng)的兩端還連接有能量吸收器。無(wú)人機(jī)撞入網(wǎng)中后,速度很快減為零。4.著陸回收：一種是地面操縱人員目視遠(yuǎn)方逐漸下降高度的無(wú)人機(jī),通過(guò)遙控裝置控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài),直至無(wú)人機(jī)接地。另一種是無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的航跡,自主完成下滑、拉平、著陸的整個(gè)過(guò)程。BC3.2無(wú)人機(jī)著陸過(guò)程無(wú)人機(jī)的典型著陸過(guò)程無(wú)人機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸軌跡圖BCD3.3末端拉平軌跡設(shè)計(jì)合理的拉平軌跡設(shè)計(jì)可將無(wú)人機(jī)的下滑垂直速度減小到允許的著地速度范圍。它基于飛機(jī)瞬時(shí)下降速度與高度成比例的思想，在理想情況下，當(dāng)飛機(jī)下降速度為零時(shí)，高度也應(yīng)該等于零，即：（1）由上述微分方程，可得（2）式中，為開(kāi)始拉平時(shí)的高度，為時(shí)間常數(shù)。式（2）意味著在時(shí)間t趨于無(wú)窮時(shí)高度為零。假設(shè)飛機(jī)的允許接地速度為。則式（2）可以進(jìn)一步寫為：（3）由上述微分方程，可得（4）BCD3.3末端拉平軌跡設(shè)計(jì)令，則拉平時(shí)間為：（5）在拉平過(guò)程中假設(shè)無(wú)人機(jī)的速度為常數(shù)，為避免拉平距離無(wú)限長(zhǎng)，可假設(shè)跑平面高出拉平軌跡漸近線的距離，則：（6）式中，表示預(yù)設(shè)的著地速度。進(jìn)一步可得到拉平距離為：（7）本次設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)下滑初始速度為20m/s，下滑初始高度為50m，下滑角=—，

為4.2，拉平?jīng)Q策高度為10m。為—0.10m/s，為0.42m。

BCD3.4縱向俯仰設(shè)計(jì)回路與仿真無(wú)人機(jī)俯仰控制回路如圖1所示圖1中，為期望俯仰角，為實(shí)際俯仰角，為俯仰角速率。其控制表達(dá)式可以表示成：（8）當(dāng)采用常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)時(shí)：（9）圖1

：無(wú)人機(jī)俯仰控制回路BCD3.4縱向俯仰設(shè)計(jì)回路與仿真因此，無(wú)人機(jī)俯仰角控制回路有兩部分參數(shù)需要確定，他們分別是俯仰角速率回路的反饋增益與俯仰角回路的PID控制參數(shù)。降落時(shí)狀態(tài)方程和輸出方程可表示為在控制參數(shù)的選取上，為使參數(shù)選定更加準(zhǔn)確，可首先確定俯仰角速率回路參數(shù)，然后以此為基礎(chǔ)確定PID參數(shù)。已知測(cè)試無(wú)人機(jī)降落時(shí)狀態(tài)方程和輸出方程可表示為：于是：=（10）（11）CD3.4縱向俯仰設(shè)計(jì)回路與仿真圖2：俯仰角速率根軌跡圖3：俯仰角階躍響應(yīng)曲線3.5高度跟蹤控制回路的設(shè)計(jì)與仿真高度控制率如圖4所示，圖中為期望的飛行高度偏差，為測(cè)量得到的高度偏差。圖4：高度控制回路BCD3.5高度跟蹤控制回路的設(shè)計(jì)與仿真無(wú)人機(jī)著陸高度的仿真跟蹤曲線如圖5所示：圖5：無(wú)人機(jī)自主著陸高度跟蹤曲線BCD3.6半物理仿真驗(yàn)證圖6：高度跟蹤曲線BCD4.總結(jié)與展望無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究,在國(guó)內(nèi)目前還處于起步階段。要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在動(dòng)態(tài)不確定復(fù)雜環(huán)境和時(shí)間敏感態(tài)勢(shì)下的自主控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的快速有效的獲取、傳輸