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1、某型固定翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真第1章緒論1.1無(wú)人機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)介無(wú)人機(jī)（UnmannedAerialVehicle：UAV）是一種有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱[1]。在美國(guó)的《國(guó)防部詞典》中，無(wú)人機(jī)的概念為：無(wú)人機(jī)是指不搭載操作人員的一種動(dòng)力空中飛行器，采用空氣動(dòng)力為飛行器提供所需要的升力，能夠自動(dòng)起飛或進(jìn)行遠(yuǎn)程引導(dǎo)；既能一次性使用也能進(jìn)行回收；能夠攜帶致命性或非致命性武器有效載荷。[2]相比有人機(jī)，無(wú)人機(jī)一般體積小、重量輕、成本低，并且可以配置任務(wù)負(fù)載，武器彈藥，在完成任務(wù)時(shí)不易造成人員的傷亡。無(wú)人
2、機(jī)的分類還沒有一個(gè)具體的指標(biāo)，有些概念的界定還較為模糊。一般按飛起重量分可以將無(wú)人機(jī)分為大型無(wú)人機(jī)（500Kg以上）、中型無(wú)人機(jī)（200~500Kg）、小型無(wú)人機(jī)（200Kg以下）、微型無(wú)人機(jī)（翼展在15cm以下）；按航程分，可以分為近程無(wú)人機(jī)（50Km左右）、短程無(wú)人機(jī)（300Km左右）、中程無(wú)人機(jī)（1000Km左右）、遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)（1000Km以上）；按用途分，可以分為無(wú)人偵察機(jī)、電子戰(zhàn)無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、反輻射無(wú)人機(jī)、對(duì)地攻擊無(wú)人機(jī)、通信中繼無(wú)人機(jī)、火炮校射無(wú)人機(jī)、特種無(wú)人機(jī)、誘餌無(wú)人機(jī)；按飛行方式分，可以分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼
3、無(wú)人機(jī)、撲翼無(wú)人機(jī)、飛艇，也有一些其他的分類。上面所述的無(wú)人機(jī)主要是指空中飛行的無(wú)人機(jī)，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的概念也不再局限于此，也慢慢地?cái)U(kuò)展為包括所有無(wú)人駕駛的機(jī)器人，如水下操作機(jī)器人。..1.2無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)）的研究是一個(gè)古老而又不失活躍性的技術(shù)領(lǐng)域。作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中最為重要的部分，飛控系統(tǒng)的性能決定著無(wú)人機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的性能和飛行品質(zhì)，因此，有關(guān)它的設(shè)計(jì)也是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。一般而言，無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：可在視距范圍內(nèi)控制的遙控設(shè)備、能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采
4、集和執(zhí)行控制計(jì)算功能的自動(dòng)駕駛儀、能夠?qū)崟r(shí)顯示飛機(jī)姿態(tài)、速度、位置信息和能夠?qū)︼w機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的地面站。其中，自動(dòng)駕駛儀（簡(jiǎn)稱自駕儀）又是無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)中的核心，因?yàn)樗袚?dān)著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與通信、任務(wù)管理、控制律的計(jì)算和控制量的輸出等重要任務(wù)，同時(shí)它也是唯一和其他飛控部分具有信息交流的部件。飛行控制的思想，是伴隨著飛機(jī)本身的問世而產(chǎn)生的，飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有100多年的歷史了。從1873年自動(dòng)飛行裝置的問世[7]（如法國(guó)雷納德（C.C.Renard）發(fā)明的無(wú)人多翼滑翔機(jī)的方向穩(wěn)定器），到1912年第一臺(tái)能夠維持飛機(jī)平飛的電
5、動(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置研制成功，再到二戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)和原蘇聯(lián)的C-1型電氣式自動(dòng)駕駛儀和其仿制品A∏-5，以及德國(guó)的V-1型飛航式導(dǎo)彈和V-2型彈道式導(dǎo)彈，飛行控制裝置發(fā)展迅速，逐漸發(fā)展成自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，直至今日，計(jì)算機(jī)成為飛行控制系統(tǒng)的核心裝置，為系統(tǒng)的綜合和新技術(shù)的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。新技術(shù)的快速發(fā)展和系統(tǒng)集成度的提高，也使得飛行控制系統(tǒng)的功能不斷完善，成為決定現(xiàn)代飛機(jī)飛行品質(zhì)和飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)。..第2章固定翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)建模2.1無(wú)人機(jī)常用坐標(biāo)系剛體飛行器的空間運(yùn)動(dòng)可以用其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)來描述，需要六個(gè)自由
6、度：三個(gè)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和三個(gè)角運(yùn)動(dòng)[8]。另考慮到飛機(jī)上所受外力及其力矩產(chǎn)生原因的不同，為描述飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，需要選擇合適的坐標(biāo)系，如飛機(jī)相對(duì)于地面的位置，只能采用地面坐標(biāo)系來描述；飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)采用機(jī)體坐標(biāo)系來描述比較方便[32]。原點(diǎn)gO可取地面上的任意一點(diǎn)，gx軸指向某一方向，與gy軸均位于水平面內(nèi)，且相互正交，gz軸垂直于地面指向地心，三軸的指向符合右手定則。地面坐標(biāo)系作為衡量無(wú)人機(jī)具體位置、近距離導(dǎo)航以及航跡控制的基準(zhǔn)。原點(diǎn)O取在飛機(jī)質(zhì)心處，坐標(biāo)系與飛機(jī)固連，x軸也稱縱軸，位于飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)，正向平行于飛機(jī)的設(shè)計(jì)軸線指向機(jī)頭，y軸（
7、橫軸）垂直于飛機(jī)對(duì)稱面，正向指向機(jī)身右方，z軸與x軸正交于飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)，正向指向機(jī)身下方，也稱為立軸。機(jī)體坐標(biāo)系主要用于描述飛機(jī)氣動(dòng)力矩和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一般在機(jī)體坐標(biāo)系下進(jìn)行分析。.2.2無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的建立無(wú)人機(jī)在外力作用下的運(yùn)動(dòng)可以用運(yùn)動(dòng)方程來描述，通常包含動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[8,33]。如果將其視為剛體，那么可以用六自由度來描述它的空間運(yùn)動(dòng)（包括質(zhì)心的位移和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)）。無(wú)人機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。在飛行過程中，它的質(zhì)量不僅會(huì)有所變化，同時(shí)也會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)上的彈性改變，再加上地球本身固有的特性，使得無(wú)
8、人機(jī)所受的空氣動(dòng)力和無(wú)人機(jī)的形狀以及飛行參數(shù)之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系[8]，因此需要在無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方程建立初期，要做一定的假設(shè)。前面已經(jīng)提到過，可以用無(wú)人機(jī)三個(gè)線坐標(biāo)和三個(gè)角坐標(biāo)的六自由度描述來表示無(wú)人機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)[34]，包括飛行器質(zhì)心的位移（線運(yùn)動(dòng)：飛行速度的增減運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)
