CN114637319A - 一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其目的是解决目前还没有基于俯仰、滚转两通道无人机的半滚倒转飞行控制方法且现有的三通道无人机半滚倒转机动飞行控制方法不能控制两通道无人机进行半滚倒转机动飞行的技术问题。该方法先将半滚倒转机动动作按照时间先后顺序分解为横滚段和过载段，姿态角采用3‑2‑1转序下的姿态角，横滚段的滚转通道通过滚转角速率积分控制使机体横滚180°，实现背部朝下的姿态并保持，俯仰通道通过弹体法向过载指令控制使机体高度保持稳定；过载段的滚转通道仍使用滚转角速率积分控制使机体的滚转姿态保持稳定，过载段的俯仰通道通过弹体法向过载控制使机体保持稳定的正过载，直到其实现掉头并接近改平。

Description

一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，特别涉及一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法。

背景技术

半滚倒转机动飞行是机动性较强的战斗机在铅垂面内的机动动作，以丧失高度为代价，通过弹体法向大过载实现快速降高和掉头，从而获取速度优势且能够掉头逃逸的机动动作，空战中常采用此动作摆脱敌机跟踪的被动位置。

在公开号为CN112433534A的中国发明专利“一种飞翼无人机半滚倒转机动飞行控制方法”中，介绍了一种三通道的飞翼无人机的半滚转机动飞行控制方法，通过升降舵、副翼舵和方向舵三个通道协同配合，即滚转、俯仰和偏航三个控制通道协同配合，实现半滚倒转机动飞行动作。

目前，还没有基于俯仰、滚转两通道无人机的半滚倒转飞行控制方法，而且由于两通道和三通道控制的无人机的控制方法不同，现有的三通道无人机半滚倒转机动飞行控制方法不能控制两通道无人机进行半滚倒转机动飞行。

发明内容

本发明的目的在于解决目前还没有基于俯仰、滚转两通道无人机的半滚倒转飞行控制方法且现有的三通道无人机半滚倒转机动飞行控制方法不能控制两通道无人机进行半滚倒转机动飞行的技术问题，而提供一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术解决方案是：

一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)分解无人机半滚倒转机动飞行动作时序并计算匹配的速度、过载

1.1)分解无人机半滚倒转机动飞行动作时序；

将半滚倒转机动飞行动作按照时间先后顺序分解为横滚段和过载段；

1.2)计算匹配的速度、过载；

选定无人机进行半滚倒转机动飞行动作时的一个任务剖面H_c，根据期望的机动下降高度dH_c，结合无人机在该任务剖面H_c的速度和机动能力，计算匹配的飞行速度V或法向过载n_y：

使半滚倒转机动飞行动作时无人机的下降高度dH接近期望的机动下降高度dH_c，则根据法向过载n_y计算匹配的飞行速度V，或者根据飞行速度V计算匹配的法向过载n_y，计算公式如下：

上式中，g为重力加速度，取9.8m/s²，

为3-2-1转序俯仰角，dH＝dH_c；

如果任务规定了期望的机动下降高度dH_c和法向过载n_y，则可根据此公式计算匹配的飞行速度V；

如果任务规定了期望的机动下降高度dH_c和飞行速度V，则可根据此公式计算匹配的法向过载n_y。

2)t₀～t₁时段进入横滚段俯仰通道和滚转通道的控制

2.1)采用弹体法向过载控制方法对横滚段的俯仰通道进行控制；

横滚段的俯仰通道断开控制飞行高度的高度控制回路，接入弹体法向过载控制回路，通过弹体法向过载指令n_yc，使机体高度、俯仰通道舵面保持稳定，n_yc定义为取值在[-6,6]g范围内的指令函数；

2.2)采用角速率积分控制方法对横滚段的滚转通道进行控制；

横滚段的滚转通道断开控制飞行侧向位置的控制回路，接入滚转角速率积分控制回路，通过滚转角指令γ_c使机体横滚180°，实现背部朝下的姿态并保持；

无人机横滚段的时间区间t₀～t₁时段内无人机滚转角指令γ_c为：

上式中，t₀为滚转角指令的时刻，t₁'为滚转角指令首次为π的时刻，t₁为横滚段结束的时刻，t为时间；

所述背部朝下姿态的姿态角采用3-2-1转序滚转角γ₃₂₁，滚转角被控量γ，为：

上式中，γ₀取值为t₀时刻的3-2-1转序滚转角，ω_x为滚转角速率；

2.3)判断时间是否到达t₁：若否，则返回步骤2.1)；若是，则执行步骤3)。

3)t₁～t₂时段进入过载段俯仰通道和滚转通道的控制

3.1)采用弹体法向过载控制方法对过载段的俯仰通道进行控制；

过载段的俯仰通道控制回路与横滚段的俯仰通道控制回路相同；结合无人机过载上升时间能力，设计随时间变化的法向过载指令n_yc，以控制机体保持稳定的正过载，即：

n_yc＝n_y(t),t₁＜t≤t₂

上式中，t₁～t₂为无人机过载段的时间区间，其中t₂为机动结束时刻；

3.2)采用角速率积分控制方法对过载段的滚转通道进行控制；

过载段的滚转通道控制回路与横滚段的滚转通道控制回路相同；使用滚转角速率积分控制使机体滚转姿态保持稳定，直到其实现掉头并接近改平；

无人机过载段时间区间t₁～t₂时段内的无人机滚转角指令γ_c为：

γ_c＝π,t₁＜t≤t₂

所述滚转姿态的姿态角采用3-2-1转序俯仰角

定义

为负值，

为该无人机掉头后接近改平状态的3-2-1转序俯仰角；

3.3)判断3-2-1转序俯仰角

是否首次小于

若否，则返回步骤3.1)；若是，则机动结束实现该靶标飞行方向转换以及改平。

进一步地，步骤1)中，通过两台发动机控制无人机半滚倒转机动飞行中的飞行速度V。

进一步地，所述两台发动机为可重复开关机的定推力液体火箭发动机或者可调推力液体火箭发动机或者航空发动机。

进一步地，两台所述定推力液体火箭发动机根据不同的飞行任务剖面，可以设计不同的的开关机组合方式及速度门限值。

进一步地，步骤2.1)和步骤3.1)中，所述法向过载控制回路的升降舵指令δ_z表达式为：

上式中，K_I为法向过载的积分系数，K_α为攻角的比例系数，

为俯仰角速率的比例系数，n_yc为法向过载指令，n_y为法向过载，α为攻角，ω_z为z轴角速度。

进一步地，步骤2.1)中，所述弹体法向过载指令n_yc设置为1g，即n_yc＝1。

进一步地，步骤2.2)和步骤3.2)中，所述滚转角速率积分控制回路的副翼舵指令δ_x表达式为：

上式中，

为滚转角速率积分的比例系数，

为滚转角速率积分的积分系数，

为滚转角速率的比例系数，γ_c为滚转角指令，γ₀为滚转角速率积分初值，ω_x为滚转角速率。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，通过分解半滚倒转机动动作，姿态角采用3-2-1转序下的姿态角，俯仰通道采用法向过载控制、滚转通道采用滚转角速率积分控制，从而实现两通道无人机半滚倒转机动飞行，具有重要的战术价值。

2、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，将半滚倒转机动飞行动作分解为横滚段和过载段，即将滚转通道分解为横滚段和过载段分时控制，俯仰通道分解为横滚段和过载段分时控制的策略，解决了两个通道同时大幅动作时，舵面偏转角度过大的问题，保证无人机可以迅速的平稳掉头。

3、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，机动过程中控制规律易于工程实现，且能够通过更改控制参数实现对该机动动作的逼真模拟。

4、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，可以通过设计相应的发动机时序及转速，实现无人机半滚倒转机动飞行动作时速度控制策略，获得匹配的速度。

5、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，将横滚段法向过载指令n_yc设置为1g，可以保证横滚段高度、俯仰通道舵面指令不发生大范围变化。

6、本发明提供的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，滚转通道采用基于滚转角速率积分的滚转角控制，解决了机动过程中被控量出现突变而不连续的问题，实现了机动动作的高精度控制。

附图说明

图1是本发明一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法实施例的流程图；

图2是本发明一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法实施例中大机动靶标射面投影曲线；

图3是一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法实施例中法向过载指令和法向过载计算曲线；

图4是本发明一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法实施例中滚转角指令、被控量、3-2-1转序滚转角计算曲线；

图5是本发明一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法实施例中3-2-1转序俯仰角计算曲线。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，本实施例提供一种两通道控制与BTT控制相结合的XX大机动靶标的半滚倒转机动飞行控制方法，具体包括以下步骤：

1)分解靶标半滚倒转机动飞行动作时序并计算匹配的速度、过载

1.1)分解靶标半滚倒转机动飞行动作时序；

由于该靶标的半滚倒转机动飞行动作是由横滚的前半段和筋斗的后半段结合起来的，且副翼同时用于控制滚转通道和俯仰通道，当两个通道同时大幅动作，可能会引起舵面偏转角度过大的问题，所以将滚转通道分解为横滚段和过载段分时控制，俯仰通道分解为横滚段和过载段分时控制，即将半滚倒转机动动作按照时间先后顺序分解为横滚段和过载段。

1.2)计算匹配的速度、过载

如图2所示，选定靶标进行半滚倒转机动飞行动作时的一个任务剖面H_c，根据期望的机动下降高度dH_c，结合该靶标在该任务剖面H_c的速度和机动能力，计算匹配的速度V或法向过载n_y；

使半滚倒转机动飞行动作时机体的下降高度dH接近期望的机动下降高度dH_c，则根据法向过载n_y计算匹配的飞行速度V，或者根据飞行速度V计算匹配的法向过载n_y，计算公式如下：

上式中，g为重力加速度，取9.8m/s²，

为3-2-1转序俯仰角，dH＝dH_c；

如果任务规定了期望的机动下降高度dH_c和法向过载n_y，则可根据此公式计算匹配的飞行速度V；

如果任务规定了期望的机动下降高度dH_c和飞行速度V，则可根据此公式计算匹配的法向过载n_y；

该靶标通过两台可重复开关机的液体火箭发动机控制其飞行速度V保持在某一区间内，在某次飞行剖面任务中，半滚倒转机动开始后，保持两台液体火箭发动机开机，机动过程中速度不断增大，因而转弯半径增大，为了使转弯半径不至于过大，在机动中速度到达V_Poff时择机关闭两台液体火箭发动机，其中V_Poff为设计的关机速度门限。根据不同的飞行剖面，可以设计两台发动机的开关机组合方式及速度门限值，从而实现速度区间控制。

如果将该方法用于其它无人机，则可针对其采用的航空发动机或者可调推力液体火箭发动机，设计相应的发动机时序及转速，实现速度控制策略。

2)t₀～t₁时段进入横滚段俯仰通道和滚转通道的控制

2.1)采用弹体法向过载控制方法对横滚段的俯仰通道进行控制；

横滚段的俯仰通道断开控制飞行高度的高度控制回路，接入弹体法向过载控制回路。如图3所示，通过弹体法向过载指令n_yc，使机体高度、俯仰通道舵面保持稳定，n_yc定义为取值在[-6,6]g范围内的指令函数；

所述弹体法向过载控制回路的升降舵指令δ_z表达式为：

上式中，K_I为法向过载的积分系数，K_α为攻角的比例系数，

为俯仰角速率的比例系数，n_yc为法向过载指令，n_y为法向过载，α为攻角，ω_z为z轴角速度。

为了使横滚段高度、俯仰通道舵面指令不发生大范围变化，将法向过载指令n_yc设置为1g，即n_yc＝1。

2.2)采用角速率积分控制方法对横滚段的滚转通道进行控制；

横滚段的滚转通道断开基于BTT的侧向位置控制回路(该方法用于其他两通道无人机时断开控制飞行侧向位置的控制回路)，接入滚转角速率积分控制回路，通过滚转角指令γ_c，使机体横滚180°，实现背部朝下的姿态并保持；

横滚段的滚转通道采用滚转角控制，在滚转超过180°时会出现滚转角跳变，采用滚转角速率积分控制可以避免这种情况。

所述滚转角速率积分控制回路的副翼舵指令δ_x表达式为：

上式中，

为滚转角速率积分的比例系数，

为滚转角速率积分的积分系数，

为滚转角速率的比例系数，γ_c滚转角指令，γ₀滚转角速率积分初值，ω_x滚转角速率。

如图4所示，该靶标横滚段的时间区间t₀～t₁时段内靶标滚转角指令γ_c为：

上式中，t₀为滚转角指令的时刻，t₁'为滚转角指令首次为π的时刻，t₁为横滚段结束的时刻，t为时间；设计滚转通道指令时，应当根据靶标本身的滚转性能和模拟对象的滚转角速率大小，选择合适的t₁'值，则可使滚转通道指令在t₀～t₁'时间区间内由0线性上升至π并保持至t₁时刻。

所述背部朝下姿态的姿态角采用3-2-1转序滚转角γ₃₂₁，滚转角被控量γ，为：

上式中，γ₀取值为t₀时刻的3-2-1转序滚转角，ω_x为滚转角速率；

2.3)判断时间是否到达t₁：若否，则返回步骤2.1)；若是，则执行步骤3)。

3)t₁～t₂时段进入过载段俯仰通道和滚转通道的控制

3.1)采用弹体法向过载控制方法对过载段的俯仰通道进行控制；

过载段的俯仰通道控制回路与横滚段俯仰通道控制回路相同；结合该靶标过载上升时间能力，设计随时间变化的法向过载指令n_yc，以控制机体保持稳定的正过载，即：

n_yc＝n_y(t),t₁＜t≤t₂

上式中，t₁～t₂为该靶标过载段的时间区间，其中t₂为机动结束时刻；

3.2)采用角速率积分控制方法对过载段的滚转通道进行控制；

过载段的滚转通道控制回路与横滚段的滚转通道控制回路相同；使用滚转角速率积分控制使机体滚转姿态保持稳定，直到其实现掉头并接近改平；

无人机过载段时间区间t₁～t₂时段内的无人机滚转角指令γ_c为：

γ_c＝π,t₁＜t≤t₂

如图5所示，所述滚转姿态的姿态角采用3-2-1转序俯仰角

定义

为负值，

为该无人机掉头后接近改平状态的3-2-1转序俯仰角；

3.3)判断3-2-1转序俯仰角

是否首次小于

若否，则返回步骤3.1)；若是，则机动结束实现该靶标飞行方向转换以及改平。

说明一点，这个方法不仅适用于该靶标，也适用于采用两通道控制的其它无人机。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分解无人机半滚倒转机动飞行动作时序并计算匹配的速度、过载

1.1)分解无人机半滚倒转机动飞行动作时序；

将半滚倒转机动飞行动作按照时间先后顺序分解为横滚段和过载段；

1.2)计算匹配的速度、过载；

选定无人机进行半滚倒转机动飞行动作时的一个任务剖面H_c，根据期望的机动下降高度dH_c，结合无人机在该任务剖面H_c的速度和机动能力，计算匹配的飞行速度V或法向过载n_y：

使半滚倒转机动飞行动作时无人机的下降高度dH接近期望的机动下降高度dH_c，则根据法向过载n_y计算匹配的飞行速度V，或者根据飞行速度V计算匹配的法向过载n_y；

计算公式如下：

上式中，g为重力加速度，取9.8m/s²，

为3-2-1转序俯仰角，dH＝dH_c；

2)t₀～t₁时段进入横滚段俯仰通道和滚转通道的控制

2.1)采用弹体法向过载控制方法对横滚段的俯仰通道进行控制；

横滚段的俯仰通道断开控制飞行高度的高度控制回路，接入弹体法向过载控制回路，通过弹体法向过载指令n_yc，使机体高度、俯仰通道舵面保持稳定，n_yc定义为取值在[-6,6]g范围内的指令函数；

2.2)采用角速率积分控制方法对横滚段的滚转通道进行控制；

横滚段的滚转通道断开控制飞行侧向位置的控制回路，接入滚转角速率积分控制回路，通过滚转角指令γ_c使机体横滚180°，实现背部朝下的姿态并保持；

无人机横滚段的时间区间t₀～t₁时段内无人机滚转角指令γ_c为：

上式中，t₀为滚转角指令的时刻，t₁'为滚转角指令首次为π的时刻，t₁为横滚段结束的时刻，t为时间；

所述背部朝下姿态的姿态角采用3-2-1转序滚转角γ₃₂₁，滚转角被控量γ，为：

上式中，γ₀取值为t₀时刻的3-2-1转序滚转角，ω_x为滚转角速率；

2.3)判断时间是否到达t₁：若否，则返回步骤2.1)；若是，则执行步骤3)；

3)t₁～t₂时段进入过载段俯仰通道和滚转通道的控制

3.1)采用弹体法向过载控制方法对过载段的俯仰通道进行控制；

过载段的俯仰通道控制回路与横滚段的俯仰通道控制回路相同；结合无人机过载上升时间能力，设计随时间变化的法向过载指令n_yc，以控制机体保持稳定的正过载，即：

n_yc＝n_y(t),t₁＜t≤t₂

上式中，t₁～t₂为无人机过载段的时间区间，其中t₂为机动结束时刻；

3.2)采用角速率积分控制方法对过载段的滚转通道进行控制；

过载段的滚转通道控制回路与横滚段的滚转通道控制回路相同；使用滚转角速率积分控制使机体滚转姿态保持稳定，直到其实现掉头并接近改平；

无人机过载段时间区间t₁～t₂时段内的无人机滚转角指令γ_c为：

γ_c＝π,t₁＜t≤t₂

所述滚转姿态的姿态角采用3-2-1转序俯仰角

定义

为负值，

为该无人机掉头后接近改平状态的3-2-1转序俯仰角；

3.3)判断3-2-1转序俯仰角

是否首次小于

若否，则返回步骤3.1)；若是，则机动结束实现该靶标飞行方向转换以及改平。

2.根据权利要求1所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：步骤1)中，通过两台发动机控制无人机半滚倒转机动飞行中的飞行速度V。

3.根据权利要求2所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：所述两台发动机为可重复开关机的定推力液体火箭发动机或者可调推力液体火箭发动机或者航空发动机。

4.根据权利要求3所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：两台所述定推力液体火箭发动机根据不同的飞行任务剖面，设计不同的开关机组合方式及速度门限值，实现对飞行速度的控制。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：步骤2.1)和步骤3.1)中，所述弹体法向过载控制回路的升降舵指令δ_z表达式为：

上式中，K_I为法向过载的积分系数，K_α为攻角的比例系数，

为俯仰角速率的比例系数，n_yc为法向过载指令，n_y为法向过载，α为攻角，ω_z为z轴角速度。

6.根据权利要求5所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：步骤2.1)中，所述弹体法向过载指令n_yc设置为1g。

7.根据权利要求6所述的一种两通道无人机的半滚倒转机动飞行控制方法，其特征在于：步骤2.2)和步骤3.2)中，所述滚转角速率积分控制回路的副翼舵指令δ_x表达式为：

上式中，

为滚转角速率积分的比例系数，

为滚转角速率积分的积分系数，

为滚转角速率的比例系数，γ_c为滚转角指令，γ₀为滚转角速率积分初值，ω_x为滚转角速率。

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