[发明专利]无尾桨型无人直升机的防钟摆控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无尾桨型无人直升机的防钟摆控制方法，能使这种新型无人直升机在悬停时不进入钟摆状态。

背景技术

钟摆现象是一个物体绕其自身的一个固定端，在一定范围内作有规律的、周而复始的摆动，其特点是一端固定，另一端可以自由运动，在理想情况下，摆角呈现周期性变化。由于无尾桨型无人直升机在构型上具有诱发钟摆的条件，其摆动是二维的，即有纵向和侧向两个方向；摆长是不确定的，但是有界的，当飞机在执行飞行任务的时候，随着机内油量的变化，飞机的重心随着变化，还有设备安装等其它不确定性因素也影响重心的位置和对称性，摆长会随之变化；另外，摆动所围绕的固定点因受到和钟摆自身不相关的外力作用，而在平面或者空间被动运动，这个运动不受摆动的影响，但是可以影响摆动。这种无尾桨型无人直升机采用常规无人直升机控制方法在悬停时会因外部的阵风等干扰产生纵向和侧向摆动现象，危及无人直升机的飞行安全。

发明内容

无尾桨型无人直升机由于其特定的构型，在一定的条件下会产生钟摆现象，这种现象会引起无人直升机等幅振荡，严重会振荡发散，引起飞行事故。本发明提供一种无尾桨型无人直升机的防钟摆控制方法，用于防止和抑制此型无人直升机的钟摆振荡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在常规无人直升机姿态双闭环控制回路的基础上，增设速度闭环控制和线加速度闭环控制，采用这种防钟摆控制规律使无人直升机不构成形成钟摆的条件，以避免钟摆现象的发生，并当出现钟摆趋势时，可使无人直升机小范围快速移动，使其脱离钟摆条件，达到抑制无人直升机钟摆的目的。具体控制方法是利用直升机中的角速率陀螺输出的俯仰角速率和滚转角速率分别经俯仰增稳控制和滚转增稳控制构成第一闭环控制内回路，提高直升机姿态控制的稳定性；利用直升机的姿态陀螺输出的俯仰角和滚转角分别经俯仰控制器和滚转控制器构成第二闭环控制内回路，实现对直升机的姿态控制；在此基础上，利用加速度计输出信息获得的纵向加速度和横向加速度分别经纵向速度增稳控制和横向速度增稳控制构成的第三闭环控制回路，提高直升机速度控制的稳定性；利用GPS输出的信息获得的纵向速度和横向速度经纵向速度调节器和横向速度调节器构成的第四闭环控制回路，实现提前抑制摆角偏离的控制。当采用这种控制方法后，无尾桨型无人直升机将可安全处于悬停状态，无论此时是否受到阵风的扰动或其它外力干扰。

附图说明

图1为无尾桨型无人直升机在外界干扰下的防钟摆过程。

图2为无尾桨型无人直升机在前移1米任务下的防钟摆过程。

图3为无尾桨型无人直升机的防钟摆控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明控制效果进行说明：

(1)当机体受到外力作用，如受到风的干扰后，在重力作用下，这种无尾桨型无人直升机就会产生一个平衡位置附近的摆动。在所设计的控制律的控制下，其效果是无人直升机小范围快速移动，使得直升机在短时间内达到平衡状态，其纵向响应如图1所示，横向响应同纵向响应一致。

(2)当机体的悬点受到外力作用，如要求直升机纵向运动1米，相当于机体重心有一个反向的惯性力，由于机体受到外力，所以形成摆动条件。在所设计的控制律的控制下，既能做到抑制摆动的现象，又能让飞机向前飞行一个固定的距离，其实这种控制效果首先是让悬点向反向移动，然后正向移动，如图2所示，此时机体摆动的时间最短，横向响应同纵向响应一致。

所设计的控制方法如图3所示，其中，俯仰与滚转姿态控制采用了常规无人直升机姿态双闭环控制回路，如图3中虚线框内部所示，利用角速率陀螺输出的俯仰角速率和滚转角速率构成的内回路起到提高姿态控制稳定性的作用，俯仰和滚转增稳控制采用比例控制器；利用姿态陀螺输出的俯仰角和滚转角构成的外回路作为姿态控制的主回路起到姿态控制的作用，俯仰和滚转姿态控制采用比例积分控制器。防钟摆控制在常规无人直升机姿态控制的基础上又增加了由速度和加速度组成的外围双闭环控制回路，如图3中虚线框外部所示，利用加速度计输出信息获得的无人直升机纵向加速度和横向加速度构成的内回路起到提高速度控制稳定性的作用，纵向和横向速度增稳控制采用比例控制器；利用GPS输出信息获得的无人直升机纵向速度和横向速度构成的外回路作为防钟摆控制的主回路起到提前抑制摆角偏离的作用，纵向和横向速度调节器采用比例控制器。利用这种防钟摆控制所构成的外围双闭环控制回路结构使得此型无人直升机对于外界干扰或外力作用都能达到有效抑制钟摆现象，并稳定地飞行。