数字技术与应用
，数控技术：
基于边界约束的小型无人机航迹跟踪飞行控制系统
王续乔董悬芬
（中国民航大学机器人研究所天津300300）
摘要对小型无人机在逐航阶段的航迹跟踪问题进行了研究，提出了一种高效的跟踪目标航述的GPS导航算法，给出了经优化的双圆路PI控制的飞行控制方案，设计了一种适用于小型固定具无人机巡航阶投的航选跟踪飞行控制系统。仿真研究与实际飞行实验验证了该系统的有效性和可盒性。
关键调：小型无人机航速跟踪飞行控制PI拉制
中图分类号：V249.1
文献标识码：A
1、引言
机动轨迹跟踪对于无人机来说至关重要。作为无人机的核心部分，飞行控制系统是实现精确的航迹跟踪的关键。小型无人机的飞行控制系统主要包括导航控制和飞行姿态控制两部分内容。在导航控制方面，文献研究了移动机器人的路径跟踪策略，其中涉及了经优化的几何路径跟踪法，一定程度地解决了完全依赖控制律设计造成的控制量过大和控制滞后等问题，文献0讨论了一种侧向导航算法，引人侧向速度作为控制反馈量，获得了一定的效果。在姿态控制方面，横侧向姿态的稳定与控制可以通过操织方向能实现水平转弯，或通过副翼协调转弯来实现，通过控制方向能实现水平转弯的方式存在较大的制滑角，空速与纵轴的协调性差，且转弯半径大，仅适合修正小的航向偏角围]
本文提出了一种经优化的导航策略，通过引人边界约束对飞行器提前进行航向校正，将飞行器控制在航线边界以内，消除跟踪目标航迹时可能带来的超调量过大的间题，与此同时，有选择的选取控制副翼和方向能实现对航迹偏角的跟踪。
2、系统概述
本文所涉及的小型无人机以Kangke固定翼航模教练机为载体，对其动力系统进行了改造，采用油机控制以保证动力的持续强
图3直线跟踪控制仿真图
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文章编号：1007-9416（2011)02-0012-02
劲，对加装的GPS与数字罗盘等设备的布局进行了调整，以保证飞行器重心的稳定，所涉及的改造为该无人机的飞行实验提供了必要的结构和硬件前提(如图1)。
该无人机的主控系统主要由飞控系统环境感知系统、通信系统及电源系统组成。
飞行控制系统采用STC12C5604AD作为其主控处理芯片，将控制信号转变为脉冲调制信号，由脉冲调制信号控制电压输出，从而驱动能机偏转。
环境感知系统利用传感器采集外界信息，并对该信息进行处理，用于飞行控制行为的决策。系统选用GARMIN-LEGEND 手持卫星接收器，输出接口为RS-232串口，信号格式为NMEA0183协议它提供飞行状态航向角、目标点磁航向角，飞行速度、时间信息、距目标点距高等导航参数，其定位精度为20m，刷新率为1s。同时，系统集成有数字罗盘传感器，为系统提供横滚轴的角度变化信息
电源系统为无人机的稳定可靠飞行提供了必要的动力能源，GPS接收机、遥控接收机和主控计算机三部分采用独立供电的形式.GPS的电源采用2+1.5V/1000mA电池，遥控接收机采用4+1.2V/800mA氢铬电池，主控计算机采用9V/800mA镍氢电池。为保证提供给STC12C5604的电压稳定在5 V，飞控电脑电源接口处采用78L05稳压芯片进行稳压处理
图4圆型跟踪控制仿真围
数字落态与应用Digitaltechnologyandapplication 万方万数据
通信系统主要用于实现操作人员对于无人机的实时操控，包括无人机起飞，着附及自动飞行时紧急情况的处理等操作。采用 Futaba专用遥控接收模块完成无人机对控制指令的实时有效接收。
3、导航与控制方案
无人机具有对称性，在小扰动的条件下，其纵向和横侧向运动交联影响并不大可相互独立讨论分析。本文所涉及的小型无人机机体气动特性和纵向短周期动态特性较为稳定，所需设计的飞行控制系统主要考虑改善横侧向动态特性。在小型无人机低速飞行时，飞机的侧滑角很小，飞机的期望航迹方位角可近似为偏航角的期望值（如图 2)
其中d，为根据所涉及的无人机的尺寸与性能参数选取得到的约束边界值；α为飞行器当前位置点与目标点在约束边界上投影的连线与该侧约束边界的夹角。
系统通过GPS接收机获取飞行器当前点M的位置信息，优先判断α是否小于0，若小于，则认定飞行器已进人目标航线区域内，将计算得到的期望偏转航向角<9，通过角度变换函数将△转化到-180°-180"范围内，将其代入控制表达式计算出期望 o(k)，通过PWM模块控制方向能偏转完成纠偏任务：反之，则认定飞行器当前在约束边界以外，以同样的过程计算出期望α(t)
图1小型无人机实物图2导航算法示意