基于扩展卡尔曼滤波的无人旋翼机组合导航控制.pdf

基于扩展卡尔曼滤波的无人旋翼机组合导航控制某某某，某某（地址）摘要：讨论了自转旋翼机的自主导航控制问题。首先，分析自转旋翼机无人机的动力学特性，建立数学模型。提出了基于扩展卡尔曼滤波的无人旋翼机组合导航控制算法。针对自转旋翼机无人机航姿系统特性进行分析与解算，并针对其缺陷设计了组合导航控制系统，利用扩展卡尔曼滤波方法对解算后姿态数据进行融合。最后，在MATLAB环境中搭建仿真平台，验证了基于扩展卡尔曼滤波的无人旋翼机组合导航控制算法的有效性。关键词：自转旋翼机，组合导航，扩展卡尔曼滤波0引言无人驾驶自转旋翼机(简称无人旋翼机)是一种以自转旋翼作为升力面，螺旋桨推/拉力为前进动力的旋翼飞行器[1]，具有其独特的优点:可以短距离起飞着陆且起飞着陆的速度很低，容易保证起飞着陆的安全;操纵灵活，无动力下滑能力强，飞行中不会失速[2]；翼机结构简单，不需安装昂贵笨重的减速器等传动机构，也不需要复杂的桨距/油门协调操纵机构以及液压助力系统等，且自转旋翼气动效率高，自转工作状态好，振动水平和噪声都比直升机小[3-4]。旋翼机早于直升机出现，但因其无法悬停导致被直升机取代。直到20世纪90年代，旋翼机因其许多相对优势又重新获得开发并应用，截至目前美国警方已装备Hawk-4型有人驾驶自转旋翼机[4]，国内亦有航空爱好者自行制作简易的有人驾驶自转旋翼机，并已成功飞行，但尚未无人化。旋翼无动力是旋翼机与直升机最大的区别，因此它无法垂直起飞，需靠发动机推动/牵引向前滑跑获得速度，旋翼经来流吹动旋转获得足够拉力拉起飞机方能起飞。但除了无法垂直起飞，旋翼机有着直升机不可比拟的优点，它在飞行过程中，旋翼始终处于自转状态不会失速，即使发动机空中停车，旋翼也会在相对气流的作用下自转，保证飞机安全着地;此外，自转旋翼是靠风力驱转的，运用空气动力学原理分析，在桨盘平面内，部分区域提供驱转扭矩，部分区域提供阻转扭矩，两部分扭矩相互平衡时，旋翼转速达到稳定，因此，与发动机驱转旋翼相比，自转旋翼传到机身上的反扭矩非常小，在工程上可以忽略不计，故而自转旋翼机不需要像直升机那样安装尾桨来平衡旋翼扭矩。在很多不要求悬停的场合，自转旋翼机凭借其低成本、经济、安全等优势完全可以取代直升机。作为风转旋翼，与驱转旋翼相比也有不足，诸如操纵滞后性强、强非线性等。另外，就旋翼机控制技术来讲，国内航空爱好者自行制作的简易旋翼机，也只是依靠人为经验操纵进行了近地飞行，尚未上升到飞行控制技术研究的高度，而且，国内目前也尚未见关于无人化旋翼机研制的报道。因此，开展无人旋翼机飞行控制技术研究具有重要意义。1无人旋翼机模型无人旋翼机结构如图1所示，由主支撑架、全动垂尾、无平尾组成，采用前三轮着地，后轮悬空式设计。本文采用全局坐标系，无人旋翼结构及平直飞行时纵向受力情况如图1所示。图1无人旋翼机结构主支撑架垂直于地面，螺旋桨发动机及旋翼安装在主支撑架上，由两侧两个主轮共同支撑，前轮辅助支撑，发动机推力在飞机对称平面内且与机体轴纵轴平行，两片桨叶跷跷板式旋翼，桨距角固定安装。在重心配置上采用高重心配置，即发动机推力提供抬头力矩，旋翼拉力提供低头力矩。图中为旋翼桨盘与机体轴的夹角，若机身迎角为，则桨盘迎角为MRMRMR;旋翼拉力垂直于桨盘向上发动机推力在机体纵向对称面内与机体轴轴平行TMR;TPX;G为飞机重力;L和D分别为机身所受的气动升力与阻力，作用在气动焦点上，其大小取决于飞行速度V，可表示为1LV2CS2L(1)1DV2CS2D式中，为空气密度，为升力系数，为阻力系数，为气动参考面积。CLCDS旋翼拉力大小与飞行速度及桨盘迎角呈非线性关系，如下所示：TMRTMRfV,MR(2)经试验验证:在操纵范围内，旋翼拉力随桨盘迎角以及前飞速度的增大而增大，其非线性关系曲线可以通过吹风试验[10]以及成本较低的地面拉跑试验获得。无人旋翼机转弯飞行导航中，偏航角及航迹偏转角是主要控制目标，控制偏航角以克服或消除侧滑角，控制航迹偏转角是为了控制速度方向与规划航迹保持一致，以达到航迹跟踪效果。由物理学匀速率圆周运动知:物体作匀速率圆周运动，需具备恒定的向心力。因此无人旋翼机实现协调转弯飞行须满足:1)旋翼拉力在竖直方向上的分力与旋翼机所受重力相等;2)旋翼拉力在航迹线速度方向上的分力与空气阻力及发动机推力平衡;3)旋翼拉力大水平方向的分力应指向圆弧航迹的圆心，与飞机转弯受到的离心力相等。纵向及横侧向受力分别如图1和图2所示。图2中，φ为滚转角。为研究无人旋翼机转弯时对圆弧航迹的跟踪效果，设无人旋翼机进行定高度顺时针盘旋飞行，盘旋半径为R，速度为V，如图3所示。从图3中可以看出，需要在盘旋过程中不断地改变旋翼机速度方向(航向)使旋翼旋转平面始终向圆心方向倾斜，但是大小不变，