针对无人直升机的位置和姿态控制中存在不确定和外部干扰的悬停问题, 提出一种基于滑模方法的有限时间飞行控制策略。首先, 对无人直升机的六自由度模型进行分析, 将模型分为位置模型和姿态模型两个部分; 其次, 在悬停状态下对模型做简化处理, 根据位置和姿态之间的特点以及控制要求, 分别采用非奇异终端滑模和积分滑模设计位置控制器和姿态控制器, 并在Lyapunov理论框架下证明系统误差能在有限时间内收敛至平衡点; 最后, 通过仿真分析表明该控制策略具有良好的控制性能。
无人直升机 非奇异终端滑模 积分滑模 位置控制 姿态控制 有限时间收敛 unmanned helicopter non-singular terminal sliding mode integral sliding mode position control attitude control finite-time convergence
1 天津工业大学 机械工程学院，天津300387
2 北京清航紫荆装备科技有限公司，北京10101
3 清华大学 航天航空学院，北京100084
4 内蒙古工业大学 航空学院，呼和浩特010051
为了使交叉双旋翼无人直升机在全球定位系统（Global Positioning System，GPS）信号干扰的情况下实现平稳的自主降落，采用AprilTags视觉基准系统中的TAG36H11图像作为降落地标，并基于该降落地标设计了一种视觉辅助的交叉双旋翼无人直升机自主降落控制系统。对降落地标进行图像预处理，基于Canny边缘检测、Hough变换直线检测和矩形检测，提取降落地标的特征信息，然后通过相机成像原理和坐标系转换解算出无人直升机的相对位姿信息，针对GPS信号干扰的情况下提出了一种利用Hough变换直线检测解算偏航角的算法，最后设计了一种串级PID控制结构的位姿控制算法，位置控制中设计了一种开方控制器，用于限制无人直升机的极限期望位置和最大加速度。同时，在姿态控制中设计了一种交叉双旋翼无人直升机姿态控制机构，通过6个数字舵机控制倾斜盘的倾角实现交叉双旋翼的周期变距，改变无人直升机的飞行姿态。通过Mission Planner飞控地面站进行仿真验证，将视觉处理系统与飞行控制系统组合，仿真结果表明，视觉辅助的飞行控制系统可以很好地跟踪无人直升机的期望位置。经过实验验证，姿态角度偏移量控制在4°以内，位置偏移量控制在0.05 m以内，可以实现交叉双旋翼无人直升机视觉辅助的自主降落。
视觉辅助 无人直升机 交叉双旋翼 自主降落 位置控制 姿态控制 visual aid intermeshing-rotor unmanned helicopter autonomous landing position control attitude control 光学 精密工程
2023, 31(23): 3517
1 中小型无人机先进技术工信部重点实验室
2 自动化学院, 南京 210000
针对中型无人直升机活塞发动机的恒定转速控制难题, 设计一种带前馈补偿的模糊自抗扰控制(ADRC)方法。通过引入旋翼负载特性对发动机进行数学建模, 将总距操纵、前飞速度作为已知扰动进行前馈补偿, 设计模糊PID控制器适应活塞发动机复杂做功过程的非线性特性, 将旋翼气动力变化以及风扰作为未知扰动, 设计扩张状态观测器(ESO)对扰动进行在线估计与反馈补偿。通过数值仿真验证了控制方法可以有效地提高发动机转速控制的抗干扰能力与控制精度。并进行了发动机地面开车和飞行试验, 结果表明, 在飞行试验过程中, 无人直升机的旋翼转速控制误差小于5.0 r/min, 动态跟踪性能得到显著提升。
无人直升机 发动机转速控制 模糊PID ADRC控制 unmanned helicopter engine velocity control fuzzy PID ADRC control
1 电子科技大学,成都 611000
2 飞行器集群智能感知与协同控制四川省重点实验室，成都 611000
建立了无人直升机姿态/垂向通道的状态依赖伪线性模型，保留了状态耦合项，通过在线求解状态依赖Riccati方程(SDRE)得到名义模型的最优控制解，进而设计了积分扩展的状态依赖控制器。针对存在的外部扰动问题，设计了有限时间扰动观测器，对垂向与偏航两个耦合通道的扰动进行在线观测与补偿。最后在Yamaha-Rmax无人直升机数字平台上开展了仿真实验，结果表明,所提方法相对于经典的H∞鲁棒控制器具有模型参数依赖小、动态响应快的特点，实现了对直升机内环姿态与垂向速率的快速镇定。
无人直升机 状态依赖Riccati方程 姿态控制 扰动观测器 unmanned helicopter State-Dependent Riccati Equation (SDRE) attitude control disturbance observer
1 海军工程大学兵器工程学院, 武汉 430033
2 中国人民解放军92925部队, 山西 长治 046000
无人直升机担负着越来越重要的作战使命, 而甲板运动是影响其着舰安全的重要因素, 对着舰甲板运动进行精确预估与补偿是亟待解决的难题。为此, 基于自适应AR模型与最优预见控制方法, 提出了一种甲板运动预估与补偿方法。基于AR模型设计甲板运动预估器时, 引入时变因子设计了自适应模型参数更新律优化模型性能, 强调数据的实时性, 仿真结果表明, 该方法在一定程度上提高了甲板运动预估的准确性, 且计算相对简单; 将甲板运动预估器产生的预估信号作为可预见的未来信息引入预见控制器, 并基于最优控制理论对着舰甲板运动进行补偿, 较好地改善了甲板运动补偿系统相位延迟问题, 并在一定程度上提高了甲板运动跟踪精度, 进而提高无人直升机着舰成功率。
无人直升机 自主着舰 甲板运动 预估与补偿 自适应AR模型 最优预见控制 unmanned helicopter autonomous landing deck motion estimation and compensation adaptive AR model optimal preview control
中国直升机设计研究所, 江西 景德镇 333000
无人直升机技术的迅猛发展, 使得无人直升机越来越频繁地应用于实际作战。使用无人直升机辅助舰艇进行探测, 可以大大扩展舰艇的探测范围, 为指挥人员提供更全面的战场信息。近年来, 卡尔曼滤波算法在通信、导航、制导与控制等多领域均有所应用, 各种改良卡尔曼滤波算法也相继被提出。为提高无人直升机的探测精度, 提出一种基于蒙特卡罗法的卡尔曼滤波算法, 并对其精度进行了分析。
无人直升机 卡尔曼滤波 精度分析 目标探测 unmanned helicopter Kalman filtering precision analysis traget dece
1 南京航空航天大学自动化学院, 南京 210016
2 中国航空无线电电子研究所, 上海 200233
针对无人直升机自主着舰过程, 自主设计了一套基于视觉引导的无人直升机着舰方案, 根据实际应用场合设计了无人直升机着舰地标, 采用基于Canny边缘检测与Harris角点检测相结合的方法获得了着舰地标特征, 通过坐标变换获得了精确的目标点位置及参考航向信息, 基于扩展卡尔曼滤波将视觉处理信息与惯导信息进行融合处理, 开展了飞行试验。试验结果表明,本系统方案满足无人直升机自主模拟着舰验证性要求。
无人直升机着舰 视觉引导 扩展卡尔曼滤波 飞行试验 unmanned helicopter landing visual guidance EKF flight test
徐州工业职业技术学院机电工程学院,江苏 徐州 221140
无人直升机作为一种特殊的无人飞行器，有着相当广阔的应用前景。由于无人直升机是一个多变量的非线性控制系统，并且存在诸多不确定性，也是目前研究的难点。在建立无人直升机数学控制模型的基础上，首先设计了一般滑模变结构控制器，并针对一般滑模控制器所产生的抖振现象，设计了基于趋近律的滑模控制器，最后进行了仿真对比实验。实验结果表明，该控制器在总距俯仰角控制方面较其他控制器有更好的跟踪效果，且很好地消除了抖振，从而确保了滑动模态的动态品质。
无人直升机 控制系统 滑模控制 趋近律 unmanned helicopter control system sliding mode control reaching law
前飞段飞行能力是无人直升机进行超视距飞行的基础, 而侧风是影响无人直升机前飞段飞行安全的一个重要因素, 因此前飞段的抗侧风策略制约着无人直升机的超视距飞行能力。目前, 无人机主流的两种前飞抗侧风策略是侧滑法和侧航法。侧滑法是通过飞机的滚转来抵抗侧风对飞机产生的侧力, 飞行中一直存在侧滑角; 侧航法则是将航向偏转至空速方向来消除侧风产生的侧滑, 实现无侧滑的飞行。从这两种方案着手, 设计了4种前飞段抗侧风方案, 并进行了对比分析, 来分别满足不同的工程需求。
无人直升机 飞行控制 前飞段 抗侧风 侧滑法 侧航法 unmanned helicopter flight control forward flight phase crosswind resisting side-slipping method crabbed method
1 南京工程学院电力工程学院，南京 211167
2 南京航空航天大学自动化学院，南京 210016
为了更好地体现和满足多旋翼无人直升机的实际工作特点和飞行需求, 在考虑不确定、外界干扰等因素的影响下, 研究了该无人机飞行状态受限情况下的姿态控制问题。首先, 给出了该无人机的数学模型, 同时为重构出姿态系统中的未知复合干扰并用于设计补偿控制律, 设计了一种SMDO干扰重构算法;随后, 为解决状态受限以及避免回馈递推控制器设计过程中的微分膨胀问题, 设计了基于SMDO干扰补偿和受限指令滤波的姿态控制器;最后, 通过仿真试验验证了算法的正确性。
多旋翼无人直升机 状态受限 滑模干扰观测器 姿态控制 multi-rotor unmanned helicopter state constraint sliding mode disturbance observer (SMDO) attitude control
