小型无人机横侧向飞行品质研究

闫志安 赵 健

(中电科特种飞机系统工程有限公司,四川 自贡643000)

针对目前无人机飞行品质标准的缺失,本文结合小型无人机的固有特点,选择横侧向荷兰滚模态对无人机横侧向飞行品质标准[1-2]进行定性和定量分析；并对算例无人机设计横侧向内回路控制器,通过对内回路控制器接通前后的算例无人机飞行性能的比较分析,实际验证了有人机横侧向飞行品质准则对算例小型无人机的适用性,并结合小型无人机特点给出了是否适用的原因分析；根据分析的原因,对不适用的飞行品质准则进行相应的改进以满足小型无人机横侧向飞行品质评定。

1 控制器接通前后无人机横侧向性能对比

本文以5kg 某小型无人机为研究对象,选择设计点(h=1000m,Ma=0.05),对比控制器接通前后两种情况下无人机的性能变化。时域方面,给算例无人机施加5°的滚转角阶跃跟踪信号,对比两种情况下无人机的滚转角和侧滑角的时域响应；频域方面对比两种情况下系统的幅值裕度Gm 和相位裕度Pm 的变化,对比如下:

1.1 时域性能对比

时域性能对比见图1。

图1 时域性能对比

1.2 频域性能对比

频域性能对比见图2。

图2 带控制器前后频域特性曲线phi/da

根据对比结果,带控制器后无人机的横侧向时域响应显著改善,稳定裕度显著提高,带控制器后无人机的横侧向飞行性能变好。

对算例无人机分别给予初始5°的侧滑角和滚转角初始扰动,控制器接通前后的滚转角和侧滑角响应结果见图3。

由图3 的结果可,控制器接通情况下,无人机横侧向运动都能快速收敛,滚转角和侧滑角都没有出现振荡且能快速收敛至初始状态,控制器能很好的抑制荷兰滚模态,使得横侧向性能改善。

图3 5°初始滚转角和侧滑角扰动下的过渡过程

2 横侧向飞行品质评定

荷兰滚模态的飞行品质主要取决于下列三个参数:自然频率、阻尼比、总阻尼系数。国军标GJB185-86 规范[3]中对荷兰滚模态的自然频率、阻尼比、总阻尼系数这三个飞行品质参数分别做出了要求(只列举巡航阶段),如表1 所示。

表1 最小荷兰滚转频率及阻尼

算例无人机带控制器前后的横侧向飞行品质参数,结果如表2 所示。

表2 横侧向荷兰滚飞行品质对比

按照现行的有人机横侧向飞行品质评定标准,不带控制器的算例无人机飞行品质为标准1,带控制器的算例无人机评定也为标准1。由前面控制器接通前后的无人机横侧向飞行性能对比可知,带控制器后算例无人机的横侧向时域和频域性能明显变好,荷兰滚模态性能显著改善。由此可见,根据现行的有人机横侧向飞行品质评定标准,得到的小型无人机横侧向飞行品质评定结果并不能准确的反映实际情况,需要根据小型无人机的特点做出适当修改才能满足实际的评定情况[4-5]。

鉴于此,提出了一种横侧向飞行品质标准以适用于小型无人机,使用了比例系数N 来调整其标准等级,比例关系如下:

N 为选取的标准大型飞机和小型无人机的翼展之比,选取N=80,修改后的荷兰滚飞行品质参数如上表1。

按照改进后的最小荷兰滚转频率及阻尼标准来重新评价算例无人机的荷兰滚模态性能,评价结果如表2 所示。

由表2 可以看出,依据改进的最小荷兰滚频率及阻尼标准,算例无人机在接通控制器后飞行品质有所改善,这也和上面荷兰滚模态性能对比结果吻合,说明改进后的最小荷兰滚转频率及阻尼标准比原先的标准更为有效合理。

3 结论

本文对带控制器前后算例无人机的横侧向荷兰滚模态性能进行分析对比,验证了有人机横侧向飞行品质准则对小型无人机的适用性,提出了改进的最小荷兰滚转频率及阻尼标准,通过仿真验证表明在算例小型无人机横侧向荷兰滚时域性能明显变好的情况下,横侧向飞行品质评定结果能准确的反映这种变化趋势,说明改进后的最小荷兰滚转频率及阻尼标准比原先的标准更为有效合理。