第三章无人直升机的飞行控制技术ppt课件.ppt

第三章 无人直升机的飞行控制与管理系统,主要内容,1.概述2. 飞行控制系统设计3. 机载计算机4.导航与制导设计5.飞行仿真6.任务设备的控制管理,1、概述,地位与作用：飞行控制与管理系统是无人直升机的关键系统之一。飞行控制系统是完成起飞、空中飞行、执行任务、返场着陆等整个飞行过程的核心系统。对无人直升机实现全权限控制与管理，对无人直升机的功能与性能起关键决定性作用。,与有人直升机相比的特点：1、飞行控制范畴不同2、飞行控制功能与作用不同3、飞行控制设计思想不同,1.概述,组成：传感器、机载计算机、伺服作动设备。功能：1、无人直升机姿态稳定与控制2、自主导航飞行与航迹控制3、起飞着陆控制4、飞行管理5、任务设备的管理与控制6、应急控制7、信息收集与传递,2.飞行控制系统设计,2.1飞行控制系统的工作原理,直升机运动包括姿态运动和轨迹运动。驾驶员驾驶直升机就是控制直升机的姿态运动和轨迹运动。飞行控制系统就是一个能够部分或者全部代替驾驶员直接控制它的姿态运动和轨迹运动，并能改善飞行品质的控制系统，即在无人直接参与条件下自动地控制直升机飞行的一套控制系统。,2.飞行控制系统设计,自动控制稳定直升机受干扰运动过程,驾驶员稳定直升机受干扰运动过程,2.飞行控制系统设计,基本功能,自动驾驶功能。如姿态保持，航向保持，高度保持等。 改善直升机操纵性、稳定性（飞行品质）功能。 能够实现航迹控制、自动导航、自动着路、垂直升降、自动悬停、自动过渡飞行等功能。,2.飞行控制系统设计,2.2飞行控制系统的设计要求在系统初步设计的基础上，结合通用规范的选择与剪裁，得出飞行控制系统设计的纲领性文件，主要包括系统级设计要求控制律设计要求机载计算机设计要求传感器选择与安装设计要求伺服作动设备设计要求飞行控制软件设计要求接口设计要求系统试验要求等,2.飞行控制系统设计,系统级设计要求顶层系统通过功能、性能指标分解而形成的对飞行控制系统的要求。功能要求：自动飞行控制功能、地面遥控功能要求、状态检测与故障处理功能、飞行管理功能、任务设备管理功能性能指标要求:姿态航向稳定与控制精度和响应时间要求，高度保持精度要求，空速保持精度要求、模态切换要求、抗风能力要求、稳定余度要求等接口交联关系要求:飞控系统与管理系统的机械、电气接口特性、通信帧结构地面监测与控制要求：遥测数据种类、数量、显示布局、处理方法、指令设置，功能、按键等等设备安装要求设备供电要求,2.飞行控制系统设计,控制律设计要求由顶层设计中通过系统功能、性能指标分解而形成的由控制律来实现的功能和性能要求。多模态控制功能要求：姿态、航向、高度等等控制性能指标要求：控制精度与响应时间稳定性要求：幅值裕度大于6db，相角余度大于45度模态转换瞬态要求：转换瞬态不引起较大波动,2.飞行控制系统设计,机载计算机设计要求由飞控系统顶层设计决定外部接口要求：模拟量，数字量计算机配置要求：字长、运算速度、存储量、采样频率、中断级别、定时器个数、编程语言、余度配置、自检功能等等结构设计要求：结构形式、环境适应性、电磁兼容性、维修性、安全性,2.飞行控制系统设计,传感器选择与安装要求角速率传感器：测量范围、精度、输出特性、带宽姿态传感器：测量范围、精度、输出特性、带宽、安装精度要求高度、空速传感器（大气数据计算机）：测量范围、精度、安装要求位置传感器：惯性导航、bd、glonass、gps,2.飞行控制系统设计,伺服作动设备设计要求性能要求：额定输出力矩、偏转范围、频带、间隙和零位误差、跟踪精度外形尺寸与安装要求：,2.飞行控制系统设计,飞行控制系统软件设计要求功能要求：上电启动与任务调度、输入输出处理、自动飞行控制、遥控指令处理、构形控制、状态监测与故障处理、导航控制与管理、遥测数据收集与编码发送性能要求：运行时间要求、存储量要求、控制精度要求接口要求：安全性要求：,2.飞行控制系统设计,接口设计要求模拟量接口：阻抗匹配、电压、极性、单端差分输入方式、转换精度、分辨率开关量要求：接口间隔离、驱动能力、电平定义、阻抗匹配数字量：接口类型（rs232、rs485、arinc429），通信方式，波特率、帧格式、屏蔽要求频率量接口：频率量接口电平、极性、阻抗匹配、输入输出频率范围、精度等,2.飞行控制系统设计,系统试验要求飞行控制系统综合试验飞行控制系统与交联系统联合试验飞行控制系统与仿真系统综合试验飞行控制系统半物理仿真试验飞行试验,2.飞行控制系统设计,2.3飞行控制律设计飞行控制律设计是飞行控制系统的一个重要组成部分，它是指令与各种外部信息到飞机执行机构的一种映射关系。飞行控制律的设计就是确定这种影射关系，使无人直升机在整个飞行包线内符合所要求的品质。飞行控制律的设计是根据系统研制任务和顶层设计文件。控制律结构首先明确无人直升机的控制舵面：总距、油门、横向周期变距、总向周期变距、尾桨距，根据对无人直升机的飞行性能要求以及无控直升机的飞行动力学特性确定控制律结构。下面给出一种无人直升机的控制律结构,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构,反馈控制器的内/外回路的结构图,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r),升降速率控制回路,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r),航向增稳控制回路,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构rcah(w,p,q,r),纵向和横向增稳控制回路,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构acah(w,pitch,roll,r),俯仰角外回路设计结构图,滚转角外回路设计结构图,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH,外回路前向速度控制结构图,2.飞行控制系统设计,一种无人直升机的飞行控制律结构TRCPH,外回路横向速度控制结构图,2.飞行控制系统设计,无人直升机的飞行控制律参数设计无人直升机控制律参数设计是在确定控制结构的基础上进行的。,小扰动线化模型,采用适当的理论进行参数设计,是否满足规定的指标要求,全量非线性仿真（非线性、滤波器）,是否满足规定的指标要求,半物理仿真试验（真实的飞控部件、强调实时）,是否满足规定的指标要求,试飞验证,2.飞行控制系统设计,控制律的切换无人直升机在不同的飞行阶段需要采取不同的控制律，这必然存在前后两个控制律之间的切换。为了抑制控制律切换引起的舵面跳变，避免大扰动、大过载，需要采用控制律切换瞬变抑制措施。1、双模态同步运算瞬变抑制2、单模态运算瞬变抑制,2.飞行控制系统设计,精确引导设备的选择1、全球定位系统2、区域定位系统3、地面辅助引导设施4、视见引导精确引导设备的存在为无人直升机的自主起飞与降落提供了可能，要实现自主起飞与着陆，还需要进行控制律的深入设计。,2.飞行控制系统设计,2.4发动机控制无人直升机上的发动机控制一般可以分为开环控制和闭环控制。开环控制仅适用于剩余功率大、转速稳定的微型无人直升机，其优点是控制简单方便，但是控制品质差，对于飞行中可能遇到的干扰扰动抑制效果差。目前发动机控制大都采用闭环控制：,转速控制器,风门控制器,发动机,旋翼转速,转速给定,前馈补偿,3.机载计算机,3.1机载计算机功能,从飞行控制的角度看1、姿态稳定与控制2、导航与制导控制3、自主飞行控制4、自动起飞与着陆,从飞行管理的角度看1、飞行管理2、任务设备管理3、余度管理,从信号处理的角度看1、实现飞行控制模态的控制和转换2、实时计算控制律并生成相应的控制指令3、接受传感器输出的飞行状态和飞行参数进行处理4、飞行控制指令的输出与管理5、飞行控制系统与其他外部系统的信息交换与管理6、航路信息的预装定与存储7、自检测并输出结果,3.机载计算机,3.2机载计算机的类型与组成按照对信号的处理方式可以将机载计算机分为模拟式、数模混合式、数字式。目前广泛采用数字式计算机,主处理运算单元,模拟输入接口电路,离散量输入接口电路,数字通信接口电路,模拟输出接口电路,离散量输出接口电路,辅助电路,数字式计算机,4.导航与制导设计,4.1导航系统的功能与分类将无人直升机按照规定的计划和要求，从起始点引导到目的地的过程称为导航。用来完成上述引导的设备称为导航系统。功能：1、获得必要的导航要素，高度、速度、姿态、航向；2、给出满足精度要求的定位信息：精度、纬度；3、引导飞机按规定计划飞行；4、接收预订任务航线计划的装定、并对任务航线的执行进行动态管理；5、接收地面指挥控制站的导航模式控制指令并执行，并具有指令导航模式与预订航线飞行模式相互切换的功能；6、具有接收并融合无人机其他设备的辅助导航定位信息的能力；7、配合其它系统完成军事上的各种任务。分类：自主式导航（自给或者独立、实时、无发射、不依靠地面站）；非自主式导航,4.导航与制导设计,非自主式导航系统无线电跟踪定位系统双曲线系统：我国的北斗卫星导航系统：GPS、GLONASS无线电着陆系统,4.导航与制导设计,自主式导航系统航程推算（DR）利用空速、磁航向、飞机姿态等参数，推算出水平方向的位置坐标，与机载气压高度构成三维飞机坐标。成本低，但是受到传感器精度的影响大。惯性导航系统（INS）地形匹配/景象匹配辅助定位系统天文导航每一种导航设备单独使用都有其优缺点。组合导航系统是趋势。INS/GPS组合；DR/卫星定位； DR/卫星定位/无线电定位组合；INS/GPS/地形匹配； INS/GPS/SARS高精度、高可靠性和可用性、高度的自主、高动态性能、高抗干扰性,4.导航与制导设计,4.2导航系统设计设计原则：因组合导航具有优势互补的特点，所以无人直升机一般采用组合导航方案。1、功能要求：导航系统应能完成总系统要求完成的功能，总系统对自主飞行程度要求的高低，对导航系统的选型非常重要。全自主飞行、半自主飞行、遥控飞行。2、精度要求：系统测量值与真值的偏离的允许范围值。3、可靠性要求：系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。4、经济性要求，满足总体要求的前提下，降低成本。5、安全性要求，对可回收的无人直升机而言，导航系统在意外情况时，设计相应的应急返航航线，引导飞机应急返航。,4.导航与制导设计,导航设备的选用1、根据无人机总体指标如续航时间、飞行距离、工作模式、执行任务性质，选用能够满足总体对导航的功能和性能要求的设备2、可能性，考虑无人直升机机载设备的体积、重量、功耗的限制。3、经济性4、用户的要求无人机导航系统的一般组成导航计算机+导航定位类传感器组成。,4.导航与制导设计,导航系统的一般组成,4.导航与制导设计,导航系统精度分析导航子系统误差分析、导航融合定位误差分析、航迹控制精度分析。导航误差由定位误差、实际飞行航迹点与理论航迹对应点偏差组成。惯导与gps组合导航设备的水平定位精度以圆概率误差表示,实际飞行航迹点与理论航迹对应点偏差计算采用下式：,下标i，i0为实际与理论航迹点，N为一段时间内的采样数，,4.导航与制导设计,航程推算举例航程推算是低成本无人直升机的导航定位方式之一。其包含三个要素：1、利用速度和航向推算位置；2、航行距离为速度的对时间的积分；3、从已知的前一时刻位置，推算下一个时刻的位置。航程推算所需的元素如下：真空速、真航向、攻角、侧滑角、俯仰角、滚转角、风速、风向、飞行高度、飞行持续时间。,4.导航与制导设计,航程推算算法举例真空速分量在机体坐标系中的分量为：,真空速分量在东北天坐标系中的分量为：,地速分量为真空速分量与风速分量之和：,对地速分量进行积分获得位置信息：,4.导航与制导设计,导航关键偏差量计算AB大圆航线段，A起点，b终点p当前位置Alfa1航线方位角Alfa2真实航线方位角为制导系统设计提供基础,真北,航线偏航角,4.导航与制导设计,4.3制导系统的功能与分类功能：制导就是确定一条航线，使当前的无人直升机由当前的位置和速度到达希望的位置和速度，同时满足一定的约束条件。分类：1、自主控制制导；2、遥测制导系统；3、自动寻的制导系统；4、复合制导系统。,4.导航与制导设计,导引规律的设计要求：1、良好的轨迹特性，在规定的战术技术指标下，飞行路线平直、过载小且分布比较合理；2、能满足制导控制甚至整个无人机系统的要求，能最佳的发挥无人直升机的性能；3、在满足战术技术指标的前提下，尽量简单可靠。,4.导航与制导设计,导引航线的研究方法导引航线的确定主要取决于导引方法和目标特性。一般采用运动学分析方法研究导引航线，导引航线的分析一般基于以下的假设：1、无人机、目标视为质点；2、制导系统理想工作；3、无人机速度为已知；4、目标的运动规律已知；5、无人机、目标在一个平面内。,4.导航与制导设计,自动瞄准的相对运动方程研究相对运动方程，采用极坐标系统来表示无人直升机与目标点的相对位置。如下图所示,无人机与目标的相对距离目标瞄准线，目标线、瞄准线目标线与某基准线（真北）的夹角无人机、目标速度矢量与基准线夹角无人机、目标速度矢量与目标线夹角,导引关系,4.导航与制导设计,追踪法所谓追踪法是指无人直升机在接近目标的过程中，无人直升机的速度矢量始终指向目标的导引方法，也就是说无人直升机的速度矢量,因此航线方程可以写为：,通过数值积分可以求解理论航线,5.飞行仿真,5.1飞行仿真的作用概念：无人直升机飞行仿真系统就是用数学模型代替实际物理系统的全部或部分，通过与飞行控制系统和有关输出设备的信息交互，完成系统的闭环试验，给出在系统的不同配置、飞行环境或不同控制策略下无人直升机系统的状态、响应过程和相关飞行参数等的输入输出信息，从而帮助设计人员验证、考核飞行控制系统设计的正确性、合理性，发现设计中存在的缺陷和问题，达到确定和优化系统设计、控制律设计、软件设计等的目的，为最终确定飞行控制系统技术状态、进行飞行控制系统装几件的制作提供科学依据。,5.飞行仿真,作用：飞行仿真试验对验证系统设计的可行性、正确性、合理性进行验证与考核至关重要。1、将难建模部分（传感器、舵系统等）直接参与仿真，避免建模困难。2、验证系统的合理性3、弥补外场试验不足4、提供对系统性能的评价5、提高研制效率和经济效益,5.飞行仿真,系统构成：1、仿真设备：实时仿真系统、目标模拟器、飞行模拟转台、动静压模拟器、遥控遥测系统、任务设备仿真系统；2、被测设备：机载计算机、各种传感器、执行机构等3、输入/输出接口4、试验控制台5、支持服务系统：纪录、文档系统、视景系统,被测设备,仿真设备,试验控制台,支持服务系统,接口,接口,接口,5.飞行仿真,分阶段仿真试验任务与要求1、机载计算机功能验证2、包括执行机构的飞行控制系统仿真试验3、验证内回路控制规律的仿真试验4、验证外回路控制规律的仿真试验5、验证整个飞行控制系统的仿真试验,5.飞行仿真,常用飞行仿真系统与方法1、数学仿真经济性、灵活性、通用性2、半实物仿真（hardware in the loop）3、飞行控制系统设计过程的迭代优化,5.飞行仿真,5.2数学仿真概述：无人机数学仿真系统将无人直升机、飞行控制系统中的所有子系统或部件均用数学模型代替，构成一个全数字、闭环无人直升机飞行控制系统。在计算机上运行该数字系统，监测系统的关键输入输出，从而对系统的设计方案进行验证评价的过程。数学模型应有足够的合理性与精度，仿真算法具有足够的精确性和快速性，通信延迟应足够小,5.飞行仿真,数学模型的线化处理模型的校验方法1、仿真算法的校验。一是对理论算法进行研究，对精度、收敛性、稳定性、适用性等进行分析，保证算法合理；二是检查计算机程序是否准确实现了其功能。2、静态检测。检查算法、公式推导是否合理，仿真过程流程图是否符合逻辑，程序实现是否正确。3、动态调试。模型运行过程中，通过考察关键因素或敏感因素的变化情况检查计算模型的正确性。4、参考基准校核。检查模型计算结果是否同所研究的物理现象吻合，对模型中出现的非正常现象给出合理解释。5、标准实例检测法。,5.飞行仿真,模型的验证:一是检查模型是否充分准确的描述了实际系统；二是考察模型的输出是否充分接近实际系统的运行过程。可信性验证一是通过对前提是否真实的研究，来验证模型是否可信；二是通过对推理过程是否符合思维规律、规则，即推理过程是否正确的研究来检验模型的可信性。一致性验证考察在相同输入条件下，仿真模型输出结果与实际系统是否一致，以及一致性的程度。常用的判断方法有：专家经验评估法、动态关联分析法、模型辨识法、交叉检验法、综合法。,5.飞行仿真,数值仿真算法数学仿真系统中仿真计算量集中在从描述无人直升机的非线性微分方程模型、求解无人直升机的姿态、位置、速度等特征向量，即数值积分算法。数值积分算法的一般要求自启动，给定运算初值，便可以利用算法求出一系列时间点上的解；求解精度要求，具有足够的计算精度，保证仿真结果的真实可靠；解的稳定性，如因计算方法导致计算发散，将失去仿真的意义。,5.飞行仿真,常用的数值积分算法欧拉法亚当姆斯法（adams）龙格-库塔法（rung-kutta）数值仿真算法的选择精度要求计算速度数值解的稳定性积分步长的确定,5.飞行仿真,5.3半实物仿真被测设备的部分或者全部用实物接入仿真系统中，就构成了半实物仿真。目的是检验、验证实际飞行控制系统的性能，参加的实物越多，仿真的可信度越高，同时接入的实物还可以对相应部件进行运行考核。,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求1、三轴转台：仿真无人直升机在空中角运动的设备与环境。负载尺寸、负载重量结构形式、轴线垂直度角位置精度、角速度精度角位置变化范围、角速度变化范围最大角速度、最大角加速度频带范围,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求2、负载模拟器：模拟无人直升机飞行过程中作用于执行机构上的载荷。负载惯量、负载尺寸最大负载力矩和力矩加载精度输出轴转角范围和角位置精度最大速度频带宽度跟踪精度,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求3、动静压模拟器将电压信号按比例转换为气压信号的电-气转换装置，直接驱动动静压传感器。工作介质供气与抽气压力输入直流电压范围输出压力范围非线性度动态特性,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求4、实时仿真计算机，承担无人直升机运动学和动力学方程的求解等，并将计算结果实时传输给相应的仿真设备。具有运算的实时性具有不同类型的输入输出通道，能与无人直升机系统中的相关设备进行数据交互具有时钟部件，协调仿真系统中各个有关设备的工作具有丰富的支撑软件,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求5、接口仿真与驱动子系统将被测设备与仿真设备，以及各仿真设备之间作相应的连接在仿真试验中各设备之间的相互通信，保证仿真系统的运行在仿真系统中，对不能介入的实物设备进行物理和电器特性仿真,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求6、液压动力源，无人直升机系统中如有液压设备，需配备液压动力源,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求7、试验控制台，就是总控制台，实现对半实物仿真的指挥与控制、管理。指挥与控制能自动进行，必要情况下也可以人工干预。作用：对仿真试验进行指挥与控制、对主要设备的检测、负责不同设备的通信、提供应急保护功能.要求：人机对话功能直观、方便通信的安全、可靠信号传输的快速、正确应急保护的合理、有效,5.飞行仿真,半实物仿真系统中的关键设备与要求8、视景系统，增加了半实物仿真的直观性，实时显示无人直升机运动的全过程。显示方式视场角计算延时通道数逼真性音响,5.飞行仿真,半实物仿真系统中软件软件内容：检测与诊断软件、运算软件、数据库及管理软件、高效可靠的系统试验与管理软件技术要求：满足实时性要求，具有足够的运算精度、运算稳定性、可靠性要求、软件的可扩充性。,5.飞行仿真,半实物仿真系统配置图,电源,i/o接口控制柜,遥控遥测地面检测计算机,i/o信号实时处理计算机,无人直升机飞行动力学仿真模型计算机,数据处理显示、记录图像、分析计算机,高速网络交换机,转台控制计算机,动静压模拟/传感器,gps模拟器,三轴转台/传感器,飞行控制计算机,执行机构,6.任务设备的控制管理,6.1无人直升机任务设备概述无人直升机上一般携带侦查设备、通信设备、电子对抗设备、测量设备等。,6.任务设备的控制管理,6.2无人直升机任务设备的管理功能1、任务设备工作单元的选择与转换2、任务设备的开、关控制，工作方式转换3、任务设备的扫描、跟踪、测距、记录、回放等功能的选择或切换4、任务设备的焦距调整、图像跟踪控制5、任务设备的遥控控制、程序控制、以及控制方式的转换处理等6、任务设备的检测管理,6.任务设备的控制管理,6.3无人直升机任务设备控制与管理的软件设计与实现任务设备的控制与管理一般通过计算机软件来实现，该软件可以嵌入到飞行控制计算机中也可以置于专用的任务设备管理计算机中，任务控制与管理软件虽不影响无人直升机的飞行安全，但是对无人直升机的任务使命具有重要作用。软件应满足如下要求1、实现前述的功能要求2、按接口控制文件要求进行接口控制管理3、满足实时性、存储空间和控制精度要求4、具有保护功能、采用看门狗、软件陷阱等措施提高安全性,6.任务设备的控制管理,6.3无人直升机任务设备控制与管理系统的综合与验证试验系统综合与验证试验是检查和验证任务设备控制与管理功能的重要方法，包括：1、任务设备控制与管理软硬件的综合试验将控制与管理计算机、控制与管理软件、任务设备综合到一起进行试验，检查软硬件接口的正确性以及功能与性能的实现情况。2、与全机系统的联合试验在1中软硬件综合完全正确的情况下，将任务设备控制与管理的软硬件全部加入到无人机系统中，进行联合试验，检查与电气、飞控、测试等系统接口的交联关系的正确性。3、飞行试验通过飞行试验进一步检查和完善系统的功能、性能、接口的设计与实现情况。,ok,