基于扩展卡尔曼滤波的无人旋翼机组合导航控制

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。图中日为旋翼桨盘与机体轴的夹角，若机身迎角为&，则桨盘迎角为aMR=a+BR:旋翼拉力T垂直于桨盘向上；发动机推力T在机体纵向对称面内与机体轴X轴平行；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L-2PV'CS(1)1D=-pVCS2式中，p为空气密度，C为升力系数，C。为阻力系数，S为气动参考面积。旋翼拉力T像大小与飞行速度及桨盘迎角呈非线性关系，如下所示：Tu=f(V,a)(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，中为滚转角。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，以平衡各方向的力，保持盘旋航迹。由式(2)可得，旋翼拉力大小取决于飞行速度和浆盘迎角，故在盘旋过程中，要保持旋翼拉力大小不变，需稳定飞行速度和桨盘迎角，但旋翼机在盘旋过程中不断改变航向，而且机身相对盘旋圆心有个滚转角，故纵横向之间有耦合。由空间几何关系可知，飞机顺时针盘旋有正滚转角中，俯仰角日和偏航角之间相互影响关系为