反之则减速或降 低
发布时间:2019-05-08 13:12

  伺服电机用变频器控制飞行控制系统(Flight control system)简称飞控,可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控通过运算和判断下达指令,由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

  无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器(20-100 公里空域),如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是 “空中机器人”。

  飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统,飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用,我们认为是无人机核心的技术。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。

  所谓无人机的飞控,就是无人机的飞行控制系统,主要有陀螺仪(飞行姿态感知),加速计,地磁感应,气压传感器(悬停高度粗略控制),超声波传感器(低空高度精确控制或避障),光流传感器(悬停水平位置精确确定),GPS模块(水平位置高度粗略定位),以及控制电路组成。主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。

  无人机飞控是指能够稳定无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统,是无人机的大脑。

  随着智能化的发展,当今的无人机已不仅仅限于固定翼与传统直升机形式,已经涌现出四轴、六轴、单轴、矢量控制等多种形式。

  固定翼无人机飞行的控制通常包括方向、副翼、升降、油门、襟翼等控制舵面,通过舵机改变飞机的翼面,产生相应的扭矩,控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

  伺服电机用变频器控制 翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下,通过改变左右端的旋翼转速,使得左右旋翼之间形成一定的升力差,从而使得沿飞行器机体左右对称轴上产生一定力矩,导致在方向上产生角加速度实现控制的。如图2.3所示,增加旋翼1的转速,减小旋翼3的转速,则飞行器倾斜于右侧飞行;相反,减小旋翼4,增加旋翼2,则飞行器向左倾斜飞行。 无人机仿真软件

  传统直升机形式的无人机通过控制直升机的倾斜盘、油门、尾舵等,控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

  多轴形式的无人机一般通过控制各轴桨叶的转速来控制无人机的姿态,以实现转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

  对于固定翼无人机,一般来说,在姿态平稳时,控制方向舵会改变飞机的航向,通常会造成一定角度的横滚,在稳定性好的飞机上,看起来就像汽车在地面转弯一般,可称其为测滑。方向舵是常用做自动控制转弯的手段,方向舵转弯的缺点是转弯半径相对较大,较副翼转弯的机动性略差。 副翼的作用是进行飞机的横滚控制。固定翼飞机当产生横滚时,会向横滚方向进行转弯,同时会掉一定的高度。 升降舵的作用是进行飞机的俯仰控制,拉杆抬头,推杆低头。拉杆时飞机抬头爬升,动能朝势能的转换会使速度降低,因此在控制时要监视空速,避免因为过分拉杆而导致失速。 油门舵的作用是控制飞机发动机的转速,加大油门量会使飞机增加动力,加速或爬升,反之则减速或降低。

  伺服电机用变频器控制 在四旋翼无人机的自主控制系统中,姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角(俯仰角、滚转角、偏航角)稳定地跟踪期望姿态信号,并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点,分析可以得知,只有保证姿态达到稳定控制,才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量,进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实际飞行环境中回受到外界干扰和不精确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以,需要引入适当的观测器和控制器对总的不确定性进行估计和补偿,并对其估计的误差进行补偿,来保证四旋翼无人机在外界存在干扰下对姿态的有效跟踪。

  了解了各舵的控制作用,我们开始讨论一下升降舵和油门的控制。固定翼飞机都有一个时速被称做失速速度,当低于这个速度的时候飞机将由于无法获得足够的升力而导致舵效失效,飞机失控。通过飞机的空速传感器我们可以实时获知飞机的当前空速,当空速降低时必须通过增加油门或推杆使飞机损失高度而换取空速的增加,当空速过高时减小油门或拉杆使飞机获得高度而换取空速的降低。因此固定翼飞机有两种不同的控制模式,根据实际情况的使用而供用户选择: 种控制方式是,根据设定好的目标空速,当实际空速高于目标空速时,控制升降舵拉杆,反之推杆;那空速的高低影响了高度的高低,于是采用油门来控制飞机的高度,当飞行高度高于目标高度时,减小油门,反之增加油门。由此我们可以来分析,当飞机飞行时,如果低于目标高度,飞控控制油门增加,导致空速增加,再导致飞控控制拉杆,于是飞机上升;当飞机高度高于目标高度,飞控控制油门减小,导致空速减小,于是飞控再控制推杆,使高度降低。这种控制方式的好处是,飞机始终以空速为因素来进行控制,因此保证了飞行的安全,特别是当发动机熄火等异常情况发生时,使飞机能继续保持安全,直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制,因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。 第二种控制方式是:设定好飞机平飞时的迎角,当飞行高度高于或低于目标高度时,在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角,由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面,使飞机迅速达到这个爬升角,而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后,必然造成空速的变化,因此采用油门来控制飞机的空速,即当空速低于目标空速后,在当前油门的基础上增加油门,当前空速高于目标空速后,在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行时间的反应,因此高度控制较好,缺点是当油门失效时,比如发动机熄火发生时,由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的仰角,终由于动力的缺乏导致失速。 因此,两种控制模式根据实际情况而选用。我们选用的是第二种控制模式,并增加了当空速低于一定速度的时候,认为异常发生,立刻转为种控制模式以保证飞机的安全。

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