一种无人机侧风着陆控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无人机侧风着陆控制方法，其包括：建立无人机着陆的纠偏流机动控制，所述纠偏流的机动控制用于减小飞机偏流角βw；在所述纠偏流机动控制中加入航向机动预留控制，用于减少减小纠偏流机动对飞机侧偏控制的冲击；在所述纠偏流机动控制中加入侧滑角限制，用于防止无人机侧向载荷超限；以及在纠偏机动的横向控制支路中需加入滚转角权限限制，以避免近地滚转纠偏导致机翼擦地。本发明专利技术的无人机侧风着陆控制方法在着陆控制过程将侧偏修正与纠偏流机动结合起来，解决了着陆过程的协调控制与纠偏流机动控制的匹配问题，实现滚转姿态受限/侧滑受限条件下的安全着陆，可显著提升无人机侧风着陆过程安全性。

An unmanned aerial vehicle (UAV) side wind landing control method

The invention relates to a UAV crosswind landing control method, including: the establishment of correct drift maneuver control of UAV landing maneuver, to control the bias correction for reducing airplane drift angle W; in the correction of drift maneuver control added course maneuvering reservation control for reducing drift correction maneuver on the side of the plane. The impact of partial control; in the correct join the sideslip angle limit drift maneuver control, to prevent the UAV lateral load overrun; and lateral control branch in the rectification maneuver should be added to the roll angle of restricted access, to avoid in turn lead wing wipe roll correction. The UAV landing crosswind landing control method in process control side offset correction and correcting drift maneuver combined with the present invention, solve the landing process control and correcting drift maneuver control, realize the roll attitude / limited sideslip under conditions of limited land safely, it can significantly enhance the security of the user without crosswind landing.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机侧风着陆控制方法
本专利技术属于无人机飞行控制
，尤其涉及一种无人机侧风着陆控制方法。
技术介绍
无人机在着陆过程的飞行高度、速度、构型均需要做出较大调整，在着陆近地过程无人机还会受到地效气动、风场切变等影响，因此无人机着陆过程是事故高发的阶段之一。其中着陆风场的侧风分量对着陆过程是一种非常不利的影响，受侧风影响飞机航向直接受到扰动，进而影响到飞机着陆侧偏控制。若采用常规侧滑法着陆，虽然可以保证飞机航向对正跑道，但飞机需要往复调整侧滑与滚转姿态以抵消侧风作用，侧滑角与飞机滚转角的不断调整对飞机着陆航迹控制造成不良扰动。在强侧风条件下，飞机平衡侧风的滚转角有可能超出机翼横滚擦地角限制，从而影响飞行安全。若采用偏流法着陆，虽然可以避免飞机侧滑角与滚转角的往复调整，但偏流角在着陆接地过程会对起落架造成较大侧向冲击，同样会增加侧风着陆风险。本专利技术采用基于偏流角的侧风着陆策略，提出一种纠偏流控制律构架，可有效提升侧风着陆过程的安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人机侧风着陆控制方法，避免了侧滑法侧风着陆导致的横航向往复操纵问题，同时解决了偏流法接地前的纠偏流机动的安全性问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种无人机侧风着陆控制方法，其包括建立无人机着陆的纠偏流机动控制，所述纠偏流的机动控制用于减小飞机偏流角；在所述纠偏流机动控制中加入航向机动预留控制，用于减少减小纠偏流机动对飞机侧偏控制的冲击；在所述纠偏流机动控制中加入侧滑角限制，用于防止无人机侧向载荷超限；以及在纠偏机动的横向控制支路中需加入滚转角权限限制，以避免近地滚转纠偏导致机翼擦地。进一步的，所述纠偏流机动的控制量为航向角。进一步的，在建立纠偏流机动控制之前，还需建立无人机侧风着陆的限制函数，所述限制参数包括：主轮交叉角强度限制函数βgear_lim＝f(G,Vy)，其中G为飞机重量、Vy为接地下沉率；无人机滚转擦地角限制函数其中Hbase表示停机状态机翼距地面基本高度，Hrelative表示飞机轮底距机场地面相对高度，l表示飞机翼展长度。进一步的，所述纠偏流机动控制中包括航向角控制外环和偏航角速率控制内环，其中航向角控制的航向运动微分方程为：其中ψ表示偏航角，θ为俯仰角，ωy表示偏航角速率，ωz表示俯仰角速率；偏航角速率控制的偏航角速率指令ωyc＝K_Decrab·(ψc-ψ)。进一步的，加入航向偏差死区后的ωyc指令解算方法为：ωyc＝fψDZ(ψc-ψ)·K_Decrab，其中航向偏差控制死区范围为[-DZ,DZ]，航向机动预留函数fψDZ(x)为：其中参数DZ满足下列条件：DZ＜βgear_lim+(ψc-ψ)·δψ％，δψ％为纠偏流航向控制超调量。进一步的，为实现侧滑角限制，需要建立偏航角速率指令限制与侧滑角限制函数，由于偏航角速率指令限制，限幅后的偏航角速率指令ωyc.sat为其中偏航角速率指令ωyc的限幅函数可表示为：偏航角速率限制参数SAT根据飞机方向舵航向最大偏航速率控制能力确定；侧滑限制函数受限于飞机侧滑限制值与偏航角速率限制参数SAT两个条件，侧滑限制非线性函数表示如下：上式中-β1～β1为正常机动侧滑角范围，-β2～β2为最大允许机动侧滑角范围；经上述算法处理后，得偏航角速率偏差指令Δωyc为：进一步的，横向支路中滚转角指令限制值根据确定，滚转角指令限制函数描述如下：本专利技术的无人机侧风着陆控制方法在着陆控制过程将侧偏修正与纠偏流机动结合起来，解决了着陆过程的协调控制与纠偏流机动控制的匹配问题。本专利技术提出的控制律构架可解决着陆接地过程纠偏流机动与侧偏修正匹配问题，实现滚转姿态受限/侧滑受限条件下的安全着陆，可显著提升无人机侧风着陆过程安全性。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是本专利技术中侧风条件下飞机偏流法着陆示意图；图2是本专利技术的纠偏流控制律结构图；图3是本专利技术侧风着陆完整控制律构架；图4是本专利技术侧风着陆典型剖面图；图5是现有技术的侧风着陆实例与本专利技术的方法对比仿真结果。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。本专利技术提出了无人机侧风着陆控制方法，适用于大翼展无人机，在飞机着陆控制过程将侧偏修正与纠偏流机动结合起来，解决了着陆过程的协调控制与纠偏流机动控制的匹配问题。本专利技术的无人机侧风着陆控制方法可包括如下步骤：一：建立着陆参数限制函数侧风着陆主要的限制函数主要包括起主轮交叉角强度限制函数与飞机滚转擦地角限制函数。主轮交叉角定义为地速方向与主轮夹角，其限制可运用限制函数βgear_lim＝f(G,Vy)描述，交叉角限制值βgear_lim随飞机重量G、接地下沉率Vy相关，具体参数可根据起落架强度设计结果给出。飞机滚转擦地限制角γflare_lim可运用函数计算得到，Hbase表示停机状态机翼距地面基本高度，Hrelative表示飞机轮底距机场地面相对高度，l表示飞机翼展长度。在飞机翼展、起落架布局确定条件下，飞机轮底相对机场地面高度Hrelative越高，滚转擦地限制角越大。二：纠偏流控制律设计本专利技术在飞机着陆初期采用偏流法完成横航向控制，偏流法着陆示意图如图1所示。若飞机受左侧风Vw扰动，偏流法通过指令侧滑角0°实现飞机机头始终指向来流方向，此时飞机航向与地速方向形成偏流角βw。在飞机着陆接地前完成纠偏流机动，纠偏流机动的控制目标是减小飞机偏流角，以降低偏流着陆对起落架的冲击。本专利技术中将纠偏流机动的控制量定为航向角，在消除航向偏差的同时偏流角可得到有效减小，这样的设计可同时减小航向偏离对着陆滑跑侧偏控制的影响。纠偏流控制律由航向角控制外环和偏航角速率控制内环构成，在航向运用方向舵实现偏航角的直接控制。根据飞机航向力矩方程可知若采用方向舵δy为航向主控量，副翼δx配合协调控制，那么可实现偏航角速率ωy的有效控制。上式中ωy表示偏航角速率，表示偏航力矩对侧滑的大导数，β表示侧滑角，表示偏航力矩对滚转角速率的大导数，ωx表示滚转角速率，表示偏航力矩对偏航角速率的大导数，ωy表示偏航角速率，表示副翼产生的偏航力矩大导数，δx表示副翼偏度，表示方向舵产生的偏航力矩大导数，δy表示方向舵偏度，ΔMyconst表示航向不对称力矩。根据航向运动微分方程可知：当滚转角γ和俯仰角θ较小时，偏航角速率ωy近似为偏航角的微分。上式中ψ表示偏航角，ωz表示俯仰角速率。这样控制系统可以构成“偏航角—偏航角速率—偏航控制力矩”的控制构架。根据上述推导，可实现的典型控制构架，进而完成控制律各回路设计。纠偏流控制律组成机理框图如图2所示，横向控制根据侧偏等信息解算出横向操纵力矩Mxc完成水平面轨迹控制；航向控制根据给定航向指令ψc(跑道着陆航向)与航向反馈ψ的偏差，通过航向偏差比例增益KPsi_Decrab解算得到偏航角速率指令ωyc，偏航角速率指令ωyc与偏航角速率ωy反馈的偏差经过无静差控制律(例如比例积分PI算法)，最终形成航向操纵力矩指令Myc，其算法描述为：上式中偏航角速率指令ωyc＝K_Decrab·(ψc-ψ)横、航向操纵力矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，所述无人机侧风着陆控制方法包括建立无人机着陆的纠偏流机动控制，所述纠偏流的机动控制用于减小飞机偏流角；在所述纠偏流机动控制中加入航向机动预留控制，用于减少减小纠偏流机动对飞机侧偏控制的冲击；在所述纠偏流机动控制中加入侧滑角限制，用于防止无人机侧向载荷超限；以及在纠偏机动的横向控制支路中需加入滚转角权限限制，以避免近地滚转纠偏导致机翼擦地。

【技术特征摘要】
1.一种无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，所述无人机侧风着陆控制方法包括建立无人机着陆的纠偏流机动控制，所述纠偏流的机动控制用于减小飞机偏流角；在所述纠偏流机动控制中加入航向机动预留控制，用于减少减小纠偏流机动对飞机侧偏控制的冲击；在所述纠偏流机动控制中加入侧滑角限制，用于防止无人机侧向载荷超限；以及在纠偏机动的横向控制支路中需加入滚转角权限限制，以避免近地滚转纠偏导致机翼擦地。2.根据权利要求1所述的无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，所述纠偏流机动的控制量为航向角。3.根据权利要求1所述的无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，在建立纠偏流机动控制之前，还需建立无人机侧风着陆的限制函数，所述限制参数包括：主轮交叉角强度限制函数βgear_lim＝f(G,Vy)，其中G为飞机重量、Vy为接地下沉率；无人机滚转擦地角限制函数其中Hbase表示停机状态机翼距地面基本高度，Hrelative表示飞机轮底距机场地面相对高度，l表示飞机翼展长度。4.根据权利要求1所述的无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，所述纠偏流机动控制中包括航向角控制外环和偏航角速率控制内环，其中航向角控制的航向运动微分方程为：其中ψ表示偏航角，θ为俯仰角，ωy表示偏航角速率，ωz表示俯仰角速率；偏航角速率控制的偏航角速率指令ωyc＝K_Decrab·(ψc-ψ)。5.根据权利要求1所述的无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，加入航向偏差死区后的ωyc指令解算方法为：ωyc＝fψDZ(ψc-ψ)·K_Decrab，其中航向偏差控制死区范围为[-DZ,DZ]，航向机动预留函数fψDZ(x)为：其中参数DZ满足下列条件：DZ＜βgear_lim+(ψc-ψ)·δψ％，δψ％为纠偏流航向控制超调量。6.根据权利要求1所述的无人机侧风着陆控制方法，其特征在于，为实现侧滑角限制，需要建立偏航角速率指令限制与侧滑角限制函数，由于偏航角速率指令限制，限幅后的偏航角速率指令ωyc.sat为其中偏航角速率指令ωyc的限幅函数可表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡云鹏，王允辉，曹正礼，杨大鹏，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21