一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统与流程

1.本发明属于无人机海上使用领域，更具体地说，涉及一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统。


背景技术：

2.近年来，无人机在反潜领域有了越来越多的应用。反潜时，无人机将在海面低空飞行，所以无人机需要有针对海面低空下各种风扰的抗扰能力。侧风切变是海面低空中常常出现的风扰之一。范国梁等于2008年在《一种基于侧向导引的抗侧风着陆航迹跟踪控制方法》中曾给出过侧风切变下的着陆控制方法，该方法通过地速导引，完成了侧风切变下的着陆控制。但是在海面巡航飞行时难以获取地速，同时巡航飞行与着陆过程也十分不同，因此研究无人机在侧风切变影响下的抗扰方法和抗扰系统对于无人机反潜领域的发展具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的是针对无人机在海面低空侧风切变影响下受到干扰而无法保持稳定飞行姿态的问题，提出一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统，为无人机在海面低空侧风切变影响下飞行提供技术参考。
4.本发明提出了一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统，其创新点在于考虑了海面低空侧风切变的影响，通过转化无人机力矩方程组，聚焦扰动变化量并进行求解，获得无人机能够在海面低空侧风切变影响下保持姿态稳定的一种抗扰方法和抗扰系统。
5.本发明的技术方案具体如下：一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法，包括以下步骤：第一步，建立无人机的力矩方程组；第二步，根据风扰特征将所述力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰方程组；第三步，将所述无人机抗扰方程组在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组；第四步，依据所述变化量方程组求解获取无人机姿态控制响应和，其中表示副翼偏转角，表示方向舵偏转角；第五步，持续将侧风切变导致的新的侧滑角反馈回控制系统，重复求解所述变化量方程组，以调整、的大小，从而回摆至稳定巡航状态。
6.优选地，第一步，建立无人机的力矩方程组如下所示：
其中，l表示滚转力矩，m表示俯仰力矩，n表示偏航力矩；表示升降舵偏转角；α表示迎角，β表示侧滑角；p表示滚转角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度；v表示无人机前进方向上风速分量；表示动压；b表示机翼展长；c表示机翼弦长；a表示机翼面积；表示无人机机体沿x轴的滚转力矩系数，表示无人机机体沿y轴的俯仰力矩系数，表示无人机机体沿z轴的偏航力矩系数；表示滚转力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示滚转力矩系数关于偏航角速度的变化率；表示俯仰力矩系数关于升降舵偏转角的变化率，表示俯仰力矩系数关于俯仰角速度的变化率；表示偏航力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示偏航力矩系数关于偏航角速度的变化率。
7.优选地，第二步，根据风扰特征将所述力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰方程组具体为：假设稳定状态为无人机平飞巡航状态，无侧滑即侧滑角β=0，同时方向舵偏转角、副翼偏转角不参与配平，即，；受到的扰动为侧风切变，侧风切变导致侧滑角和滚转力矩发生变化，力矩方程组变为：式中，δβ表示侧滑角的变化量，δl表示滚转力矩的变化量，δn表示偏航力矩的变化量。
8.优选地，第三步，将所述无人机抗扰方程组在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组具体为：已配平的物理量方程为：消去稳态量的变化量方程组变为：
。
9.优选地，第四步，依据所述变化量方程组求解获取无人机姿态控制响应和具体为：
10.一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰系统，其特征在于，包括：控制系统、初始力矩方程组构建模块、无人机抗扰方程组构建模块、无人机抗扰方程组简化模块、侧滑角反馈模块、姿态控制响应求解模块；所述控制系统分别连接初始力矩方程组构建模块、无人机抗扰方程组构建模块、无人机抗扰方程组简化模块、侧滑角反馈模块和姿态控制响应求解模块；使得无人机处于自动化抗扰状态；其中，初始力矩方程组构建模块：建立无人机的力矩方程组；无人机抗扰方程组构建模块：根据风扰特征将所述力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰方程组；无人机抗扰方程组简化模块：将所述无人机抗扰方程组在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组；姿态控制响应求解模块：依据所述变化量方程组求解获取无人机姿态控制响应和，其中表示副翼偏转角，表示方向舵偏转角；侧滑角反馈模块：持续将侧风切变导致的新的侧滑角反馈回控制系统；控制系统：接收到侧滑角反馈模块反馈的新的侧滑角后，重复控制姿态控制响应求解模块求解所述变化量方程组，以调整、的大小，从而使无人机回摆至稳定巡航状态。
11.优选地，初始力矩方程组构建模块建立无人机的力矩方程组如下所示：其中，l表示滚转力矩，m表示俯仰力矩，n表示偏航力矩，表示升降舵偏转角，α表示无人机的迎角，β表示侧滑角，p表示滚转角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度，v表示速度，表示动压，b表示机翼展长，c表示机翼弦长，a表示机翼面积；表示无人机机体沿x轴的滚转力矩系数，表示无人机机体沿y轴的俯仰力矩系数，表示无人机机体沿z轴的偏航力矩系数；
表示滚转力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示滚转力矩系数关于偏航角速度的变化率；表示俯仰力矩系数关于升降舵偏转角的变化率，表示俯仰力矩系数关于俯仰角速度的变化率；表示偏航力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示偏航力矩系数关于偏航角速度的变化率。
12.优选地，无人机抗扰方程组构建模块根据风扰特征将所述力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰方程组具体为：假设稳定状态为无人机平飞巡航状态，无侧滑即侧滑角β=0，同时方向舵偏转角、副翼偏转角不参与配平，即，；受到的扰动为侧风切变，侧风切变导致侧滑角和滚转力矩发生变化，力矩方程组变为：式中，δβ表示侧滑角的变化量，δl表示滚转力矩的变化量，δn表示偏航力矩的变化量。
13.优选地，无人机抗扰方程组简化模块将所述无人机抗扰方程组在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组具体为：已配平的物理量方程为：消去稳态量的变化量方程组变为：。
14.优选地，姿态控制响应求解模块依据所述变化量方程组求解获取无人机姿态控制响应和具体为：
15.本发明相对于现有技术，优点与积极效果在于：1）本发明所提供的一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统，是考虑到侧风切变对于侧滑角、俯仰力矩、偏航力矩的影响下，无人机能够在海面低空侧风切
变干扰下保持姿态稳定而不需要人为矫正。
16.2）该发明所提出的方法，对于海面低空侧风切变给无人机带来的扰动有较好抑制作用，同时本发明所提出的抗扰方法和抗扰系统不会给无人机带来较大的额外重量。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为本发明一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法流程图；图2为本发明一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰系统构成图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
19.本实施例中针对某型无人机为例进行海面低空侧风切变干扰下的无人机抗扰方法和抗扰系统设计。
20.本发明提供的一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法和抗扰系统，通过简化无人机力矩方程组，并进行求解，获得无人机能够在海面低空侧风切变影响下保持姿态稳定的一种抗扰方法和抗扰系统。
21.实施例设定工况为100m飞行高度，无人机在受到低空侧风切变扰动前保持v=100m/s平飞巡航状态，无侧滑。
22.如图1所示，一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰方法，包括以下步骤：第一步，建立无人机的力矩方程组如下所示：各符号表示含义如下：其中，l表示滚转力矩，m表示俯仰力矩，n表示偏航力矩，表示升降舵偏转角，α表示无人机的迎角，β表示侧滑角，p表示滚转角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度，v表示速度，表示动压，b表示机翼展长，c表示机翼弦长，a表示机翼面积；表示无人机机体沿x轴的滚转力矩系数，表示无人机机体沿y轴的俯仰力矩系数，表示无人机机体沿z轴的偏航力矩系数；表示滚转力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示滚转力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示滚转力矩系数关于偏航角速度的变化率；表示俯仰力矩系数关于升降舵偏转角
的变化率，表示俯仰力矩系数关于俯仰角速度的变化率；表示偏航力矩系数关于副翼偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于方向舵偏转角的变化率，表示偏航力矩系数关于滚转角速度的变化率，表示偏航力矩系数关于偏航角速度的变化率。
23.第二步，根据风扰特征将该力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰问题所研究的方程组。在海面低空侧风切变干扰下，无人机在y轴上将会受到新的风扰，其将会使得无人机侧滑角改变，同时，由于侧向风切变的压力中心不与无人机重心重合,风作用在无人机两翼上的力不同,导致两翼的升力不平衡,从而会产生一个滚转力矩加载在无人机上。在整个过程中，俯仰方向的力矩和迎角变化较小，可以忽略。
24.假设稳定状态为无人机平飞巡航状态，无侧滑，即β=0，同时方向舵偏转角、副翼偏转角不参与配平，即，。受到的扰动为侧风切变，侧风切变导致侧滑角和滚转力矩发生变化。力矩方程组变为：式中，δβ表示侧滑角的变化量，δl表示滚转力矩的变化量，δn表示偏航力矩的变化量。
25.第三步，将方程组中在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组。从物理意义上讲，这一步是将稳态量从方程组中消去，将问题聚焦在变化量上。方程组中已配平的物理量方程为：方程中没有、的原因在于稳定状态时、不参与配平。消去稳态量的变化量方程组变为：第四步，依据变化量方程组求解获取姿态控制响应和。得：。
26.即为姿态控制响应。由于式中有与侧滑角相关的气动导数，而侧滑角将在控制过程中不断变化，故之后需持续将侧滑角反馈回控制系统进行如上过程更改舵面偏转角。
27.第五步，反馈侧滑角至控制系统。在前四步中，可看到无论侧滑角如何变化，第一
步、第二步、第三步的操作没有区别，而第四步需要不断接收侧滑角数据以调整、的大小。因此将侧滑角反馈回第四步即可。
28.抗扰过程将会在侧风切变出现时迅速产生姿态控制响应，在一定时间内无人机姿态将逐渐趋于侧风切变下的新稳定状态。在侧风切变影响消失后，侧滑角将会变为负值，无人机仍可通过第五步反馈侧滑角更改、的大小，从而回摆至稳定巡航状态。整个过程中处于自动化抗扰状态不需要额外的人为操控。
29.如附图2所示，本发明还提供了一种针对海面低空侧风切变的无人机抗扰系统，包括：控制系统、初始力矩方程组构建模块、无人机抗扰方程组构建模块、无人机抗扰方程组简化模块、侧滑角反馈模块、姿态控制响应求解模块；所述控制系统分别连接初始力矩方程组构建模块、无人机抗扰方程组构建模块、无人机抗扰方程组简化模块、侧滑角反馈模块、姿态控制响应求解模块；使得整个过程中处于自动化抗扰状态；其中，初始力矩方程组构建模块：建立无人机的力矩方程组；无人机抗扰方程组构建模块：根据风扰特征将所述力矩方程组转化为海面低空侧风切变的无人机抗扰方程组；无人机抗扰方程组简化模块：将所述无人机抗扰方程组在巡航状态下已配平的物理量消去，获取简化后的变化量方程组；姿态控制响应求解模块：依据所述变化量方程组求解获取姿态控制响应，，其中表示副翼偏转角，表示方向舵偏转角；侧滑角反馈模块：持续将侧风切变导致的新的侧滑角反馈回控制系统；控制系统接收到侧滑角反馈模块反馈的新的侧滑角后，重复控制姿态控制响应求解模块求解所述变化量方程组，以调整、的大小，从而使无人机回摆至稳定巡航状态。
30.以上所述仅为本发明的实施按例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。