基于总能量的小型无人机纵向控制器研究

李东武，孟 浩，周 毅，傅 宁

(1. 天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 300301；2. 天津市智能遥感信息处理技术企业重点实验室，天津 300301)

1 引言

近年来随着无人机的应用越来越广泛，任务航线日趋复杂，频繁的变高飞行成为行业应用中不可避免的飞行方式，这对无人机纵向航迹控制提出了更高的要求。传统的无人机纵向控制方法是对油门通道和高度通道进行分别设计，而且对于巡航、爬升、下滑等不同飞行模态需要分别设计控制，同时还要考虑控制器切换的问题，无人机速度和高度间的耦合使得基于传统设计方法的纵向控制器设计过程极其复杂，调试过程也很繁琐。Lambregts于1983年提出了一种基于能量的纵向控制系统设计思路——总能量控制。总能量控制的核心思想是从无人机系统能量的控制和转化的角度出发，将高度、速度的控制问题转化为系统总能量变化率及能量的分配率的控制问题，从而实现高度和速度之间的解耦控制。

本文基于Lambregts的总能量控制理论，设计某小型无人机在不同运动模式下均适用的一体化纵向控制器，并通过仿真，与传统设计方法进行对比分析。

2 总能量控制原理

无人机纵向的运动方程为

(1)

(2)

式(1)和(2)中表示航迹角，T表示发动机推力，D表示阻力，V表示飞行速度，m表示无人机质量，g表示重力加速度。

由于无人机在飞行中，一般航迹角较小，因此可以认为：sinγ=γ，可得

(3)

无人机总能量ET为动能和势能之和

(4)

单位重量的总能量E1为

(5)

对上式……