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1、45无人机飞行控制系统仿真研究 1 绪 论 本章先主要介绍了无人机进无人机的特点，国内外研究现状和发展趋势及这篇文章的主要内容安排。1.1无人机概述 无人机即无人驾驶飞机，也称为遥控驾驶飞行器，是机上没有驾驶员，靠自身程序控制装置操纵，自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的无人驾驶飞行器，在它上面装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统实现远距离控制飞行。无人机大体上由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效负荷三部分组成。 无人机在航空业已有一百年的历史了。第一驾遥控航模飞机于1909年在美国试飞成功。191
2、5年10月德国西门子公司研制成功采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹，它被公认为有控的无人机的先驱。世界上第一架无人机是英国人于1917年研制的。这是一架无线电操纵的小型单翼机，由于当时的许多技术问题，所以试验失败。一直到1921年英国才研制成可付诸实用的第一驾靶机。1918年德国也研制成第一驾无人驾驶的遥控飞机。1920年简氏世界各地飞机首次提到无人机。20世纪30年代初无线电操纵的无人靶机研制成功。在20世纪40至50年代，无人机逐渐得到了广泛使用，但这时主要是作为靶机使用。世界各国空军于20世纪50年代大量装备了无人驾驶飞机作为空靶。进入20世纪60年代后，美国出于冷战需要，将无人机研究
3、重点放在侦察用途方面，这标志着无人机技术开始进入了以应用需求为牵引的快速发展时代。 由于无人机具有低成本、零伤亡、可重复使用和高机动等优点,因此深受世界各国军队的广泛欢迎，近年来得到了快速发展。对于无人机而言，其自动飞行控制系统的设计是至关重要的，它的优劣程度直接影响到无人机各项性能(包括起飞着陆性能、作业飞行性能、飞行安全可靠性能、系统的自动化性和可维护性等)。因此，研究无人机的自动飞行控制技术具有十分重要的现实意义，尤其是在军事上的重要性己经得到国内外的高度重视，而无人机飞行控制系统是无人机能够安全、有效地完成复杂战术、战略使命的基本前提，因此迫切需要加强该领域的研究工作。 无人机的研制早
4、在 20 世纪初就开始了，几乎与有人机同步，自30年代国外首次采用无线电操纵的模型飞机作为靶机以后，无人机的发展十分迅速。40年代，低空低速的小型活塞式靶机投入使用。50年代出现了高亚音速和超音速高性能的靶机，世界各国空军开始大量装备无人机作为空靶。60年代以后，随着微电子技术、导航与控制技术的发展，一些国家研制了无人驾驶侦察机，美国率先研制成功无人驾驶侦察机，并开始用于越战。无人机受到越来越多国家的青睐，发展迅猛。在1982年的中东战争中,以色列在贝卡谷地交战中，用“侦察兵”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空导弹的制导雷达开机，侦查获取了雷达的工作参数并测定了其所在位置。无人机的飞速发展是在海湾
5、战争后，以美国为首的多国部队的无人机在海湾战争中成功地完成了战场侦察、火炮校射、通信中继和电子对抗任务。无人机的研制成功和战场运用，揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的“非接触性战争”的新篇章，由此引发了无人机及其飞行控制研究的热潮。 美国、英国、法国、德国、以色列、澳大利亚等国都针对这个领域投入了相当的研究力量。究其原因，用无人机替代有人驾驶飞机可以降低生产成本，便于运输、维修和保养，而且不用考虑人的生理和心理承受极限。未来无人机在军事和民事上都有广泛的应用前景。在军事领域，采用无人机进行作战和侦察，可以减少人员的伤亡，还能具有超高过载的机动能力。在民用领域，无人机可以完成资源
6、勘测、灾情侦察、通信中继、环境监测等繁重重复或具有一定危险的任务。无人机按其用途和性能确定其属性和全称，如：靶标无人机、侦察无人机、无人诱饵机、电子对抗无人机、攻击无人机、战斗无人机；长航时无人机、超音速无人机、微型无人机、无人直升机等。 中国无人机的研究始于50年代后期，1959年已基本摸索出安-2和伊尔-28两种飞机的自动起降规律。60年代中后期投入无人机研制，形成了“长空”1靶机、无侦5高空照相侦察机和D-4小型遥控飞机等系列，并以高等学校为依托建立了无人机设计研究机构，具有自行设计与小批生产能力。中国生产的各种型号的无人机，基本上满足了国内军需民用，并且逐步走向国际市场。1.2 无人机
7、的特点无人机在现代战争中逐渐替代有人机，得到大力发展和广泛应用,与它自身的优点是分不开的，它与有人驾驶飞机相比，具有以下特点 ： (1) 重量轻，尺寸小。据统计世界300多种无人机 (不包括由有人机改成的无人机中，有66.9%的起飞重量不超过200kg，77.4%的重量在500kg以内, 起飞重量大于2000kg的不到10%，没有超过10000kg的。而有人驾驶军用飞机起飞重量均在10000kg以上，有的甚至超过60000kg。无人机的最大尺寸(除了长续航时间飞行器之外)一般不会超过10m，一半以上最大尺寸在 5m 以下，而有人驾驶飞机的最大尺寸一般在12m以上。 (2)费用低。中小型无人机价
8、格范围都在1万100万美元之间，其中有24 %的无人机在10万美元以下，65%的在10万40万美元之间，而且有不少小型无人机在1万美元以下。相比之下，价值几百万到几千万的有人驾驶军用飞机的价格要高很多。另外，在驾驶员培训和燃料消耗方面,无人机也比有人机低很多。(3) 机动性高。无人机不需要考虑人的承载能力，过载可以大于4g,目前有的无人机机动过载已经达到12g。但有人飞机必须考虑人的承载能力，使机动性受到限制。 (4) 隐蔽性好。无人机尺寸小，结构设计时可大面积采用雷达反射特征与红外辐射特征小的材料制造,在结构与总体布局上可采取 隐形 措施，在小发动机上可采取消音措施 。 (5) 适应性强。无
9、人机的发射比较简单，灵便多样，可由地面,舰艇发射或母机携带至空中发射在地面发射时，可由固定式或活动式发射装置发射，滑跑起飞距离一般不超过300m；而有人机起飞滑跑距离在1000m以上，并且对跑道的要求也高。另外，无人机回收也较简单，可以用降落伞或拦截网回收，这为部队灵活机动的军事行动创造了有利条件。 (6) 安全性高。人不必冒生命危险,这是无人机最根本的特点。它能在敌人威胁力强的危险区执行任务，能在复杂恶劣气候条件下或在有核、生物、化学作用的危害区工作，能昼夜长时间连续飞行。1.3无人机的发展趋势 无人机以制造成本与寿命周期费用低、无人员损失几率、较小的尺寸、较强的隐身能力受有人机过载系数的约
10、束、相对简单的维护保养方式等优点。受到了各国的重视。在航天科工集团公司展出的无人装备中，几款新型无人机比较“耀眼”。 SH-1多用途通用无人机采用翼神身融合、大展弦比的无尾飞翼式布局，具有优异的气动特性、良好的隐身性能和较强的装载能力，装载光电侦察设备，可执行空中侦察、目标识别、目标定位、打击效果评估等不同的作战任务。还可用于灾情监测、长线巡查、气象测量等其他用途。 SH-3轻型低速无人机采用高升阻比气动外形，低耗油率活塞发动机，具有体积小，成本低，运输和使用方便等特点。可携带不同任务载荷。进行长时间的空中侦察、巡逻和监视及气象探测等。 无人机在近几场局部战争中的出色表现，使世界各国都非常重视
11、发展无人机。随着无人机技术的发展和完善，无人机必将充斥未来战场。从无人机技术发展和未来作战需要来看，今后无人机将向以下几个方向发展： 长航时的无人侦察机将得到快速发展海湾战争结束后，无人侦察机的研制和发展在世界范围内出现了高潮。美国、俄罗斯、英国、法国和以色列等国家空军，不惜加大投入，发展性能更先进的无人侦察机，深入敌人防空严密的空域，执行有人机难以完成的侦察任务，力争在提高战场透明度和感知能力方面保持领先地位。 美国的RQ1A“捕食者”和“猎人”无人机，英国的“凤凰”无人机，意大利“奎宿九星”26无人机，加拿大的CL289无人机等，都是目前世界上性能比较先进的无人侦察机，特别是美国的RQ1A
12、“捕食者”无人机最大起飞重量850千克，最大载荷205千克，飞行高度3000-5000米，续航时间达60小时，作战半径926千米，配装光电/红外系统、合成孔径雷达侦察设备、惯导/GPS导航系统，可将侦察到的图像及视频录像通过卫星实时传送给地面指挥中心，可提供超长时间的战场监视能力。 另外，侦察直升机也将得到快速发展。侦察直升机是外国陆军拥有的主要空中战术侦察，其全天候、超低空飞行性能好，还能悬停实施侦察，因而具有固定翼飞行所不具备的优势。OH58D是美国陆军师级现役第二代侦察直升机。该机在旋翼顶上设有一个潜望式侦察球，球内有前视红外仪、电视摄像机和激光测距/目标指示器。这种侦察球增强了侦察时的
13、隐蔽性。 进一步发展和提高无人电子战飞机无人机可用作一种高高空、长航时的电子干扰平台，支援各种攻击机和轰炸机作战。由于无人机具有长航时的特点，因此它可以在各种不同的地理环境下支援各方面的攻击部队，并对敌方防护周密的要地的火控攻击雷达进行干扰。 根据需要，今后用于电子战的无人机主要有以下几种：一是用作反辐射无人机。目前投入实空雷达、防空导弹制导雷达、高炮炮瞄雷达及舰载雷达，且具有一定的智能。此外，德国的“达尔”和南非的“云雀”都是反辐射无人机。由于无人机飞行灵活，不易被对方发现，因此未来作战中是反辐射武器的理想平台。二是用作诱饵飞机。将无人机作为诱饵飞机使用， 有两种好处：首先可以引诱敌方雷达开
14、机，使己方迅速掌握敌方的雷达频率和阵地位置，为后续的反辐射武器提供参数。其次是无人机还可以作为诱饵来大量地消耗敌人防空武器，以掩护己方飞机的安全。还有可作为掩护主战飞机突防的诱饵。如美国为了保证B52轰炸机的顺利突防，研制出了名为“鹌鹑”的无人机，每架B52飞机可装3架“鹌鹑”，到达防区上空后投放。“鹌鹑”上所装的电子装备就可以欺骗地面雷达，使它看起来像一架轰炸机，从而提高了B52的突防概率。三是用作电子干扰机。一般的无人机可以装备电子干扰设备，直接飞抵目标上空执行干扰、压制任务，也可以用无人机直接投放干扰物或进行窃听。 发展无人预警机为进一步提高无人机在电子战中的作战效能，一些国家正在积极发
15、展无人预警。例如2000年，美国空军研究实验室提出了一种新型的无人机，其平台形状像一颗钻石，称“传感飞行器”无人机。该无人机最突出的一点，就是将预警雷达天线与侦察雷达天线共装在无人机的机翼上，实现了一架无人机可同时完成对空中目标预警与对地面目标监视的能力，预计能取代今天的预警机和“联合星”战场侦察机。 总之，随着高技术在无人机上不断应用，无人机的作战能力将会持续提高。在未来战场上，特别是未来的空中战场上，无人机将发挥越来越重要的作用。 1.4本文的研究背景及内容安排 本文以国家某高技术课题为研究背景，以某型固定翼无人机为研究对象，着眼于应用常规PID控制技术，分别针对中空、高空、高高等空域来进行无人机飞控系统控制律的设计，并且探讨如何提高飞行控制系统的控制精度等问题。 首先，我们建立了无人机的六自由度数学模型，其中包括非线性动力学方程组和运动学方程组，然后运用小扰动线性化方法建立了无人机纵向运动与横侧向运动的线性化方程：其次，我们介绍了PID控制的作用和一些常用的PID参数的整定方法。这一部分的内容将作为我们后面进行飞行控制律设计的理论基础；接着，我们将无人机的飞行控制分解为纵向控制通道与横侧向控制通道来讨论。本文主要研究了无人机纵向系统中俯仰角控制和高度控制的控制律设计问题。在设计方法上，我们充分
