像鸟一样滑翔——升力翼多旋翼无动力飞行分析及迫降控制

背景介绍

随着无人机应用范围的日益广泛，传统多旋翼无人机一个严重短板愈发明显地显现出来——安全问题。当传统多旋翼动力完全失效，几乎没有办法对其进行操纵，只能任其下落，是很大的安全隐患。

四旋翼撞向汽车

(https://www.farmers.com/learn/insurance-questions/hit-by-a-drone/)

我们介绍一种新型无人机——升力翼多旋翼，这种机型同时具有四旋翼和固定翼的结构，兼具低速高机动和高效率长航程的特点，由于其具备气动外形与可控舵面，可以很好地面对动力完全失效的情况。本毕设的工作就是通过控制升力翼多旋翼的气动舵面，在飞行器飞行过程中动力完全失效时使其安全降落。下图为毕设研究对象的实物模型：

升力翼多旋翼

问题分析

我们面临的目标是将飞行器着陆时的垂直方向速率控制在安全范围内（2m/s），问题从宏观上可以分为：用怎样的方案迫降以及如何控制。期望效果为类似于鸟类滑翔，平缓着陆。

鸟类着陆

需要说明的是，飞行器动力完全失效指的是所有螺旋桨完全停转，但飞控、传感器和舵机等仍然工作正常。

解决方案

一、迫降策略

迫降策略上我们采用三段式迫降，示意图如下。过渡段将动力失效时的状态调整到稳定状态，与平衡段衔接；平衡段受力平衡，匀速运动，调整高度。分为滑翔与盘旋两种策略；拉平段在安全范围内不断增大迎角，使升力分量大于重力实现减速着陆。

迫降策略

二、迫降控制

1.滑翔策略与控制

通过理论与仿真的分析，决定对过渡段与下滑段采用常值攻角指令控制，控制量由受力平衡方程组解出。但考虑到攻角测量在实际系统中易受干扰、误差大，又将常值攻角指令换为等价的俯仰角指令控制。这个控制建立在俯仰角保持与控制器的基础上。

过渡与下滑仿真效果

2.盘旋策略与控制

盘旋策略用于应对初始高度过高的情况，避免下滑距离过长，减小迫降轨迹的水平范围。与下滑策略一样，由稳定盘旋的约束条件解出平衡态状态量，依此对姿态进行控制。仿真效果如下：

过渡与盘旋仿真效果

 

3.拉平段控制

拉平段采用指数拉平方式，控制结构图下：

 

拉平控制框图

方案效果

利用实验室的仿真环境（用到RFlySim3D和CopterSim）对方案进行综合仿真的视景显示。

一、下滑策略

仿真条件和结果如下：

初始值
末态值

三维效果如下：

滑翔策略综合仿真效果

二、盘旋策略

仿真条件和结果如下：

初始值
末态值

三维效果如下：

盘旋策略综合仿真效果

 

---

本人在北航可靠性飞行控制研究组完成本科毕业设计。本文节选于 “   曾单 . 升力翼多旋翼无动力飞行分析及迫降控制 [D] 北京航空航天大学本科学位论文，北京。”

源自：可靠飞行控制研究组