祁圣君;张喆
【摘 要】Unmanned Aerial Vehicle （UAV） close formation flight has the advantage that a single UAV cannot be compared with, which is a relatively new research field. According to the requirements for future UAV and the features of UAV close formation flight, the control of UAV flying in a close-coupled formation and corre- sponding implementing algorithm are studied. A proportional plus integral controller design methodology for use in the trail vehicle in a two-UAV formation is presented. The formation consists of a lead and wing aircraft, where the wing flies in close formation with the lead, such that the lead＇s vortices produce aerodynamic coupling effects. The nonlinear kinematic of formation is modeled in the wing＇s rotating reference frame. It is shown that formation hold autopilots designed with the aerodynamic coupling effects yields satisfactory performance in close formation flight. Simulation results demonstrate that wing aircraft can maintain a desired position relative to a lead aircraft throughout formation maneuvers. Furthermore, the results confirm the feasibi
lity and validity of the method.%无人机编队飞行有着单架无人机无法比拟的优点，但属于较新的研究领域。从无人机未来发展需求出发，根据近距编队的特点，提出了一种近距编队控制方法，并以双机近距编队为基础对控制律设计和算法实现进行了研究。通过建立僚机旋转参考系下的双机编队相对运动模型，同时考虑长机翼尖涡对僚机产生的气动耦合效应，基于PI控制设计了一种无人机近距编队飞行控制器，通过仿真验证和比较分析，证明僚机可以很好地跟随长机的机动保持编队构型，验证了提出的编队飞行控制方法的可行性和有效性。 【期刊名称】《航空工程进展》
【年(卷),期】2012(003)003
【总页数】6页(P362-366,372)
【关键词】无人机;编队飞行;PI控制器;马蹄涡
环氧树脂模具【作 者】祁圣君;张喆
【作者单位】广西青年干部学院中国飞行试验研究院飞行仿真航空科技重点实验室,西安710089;中国飞行试验研究院飞行仿真航空科技重点实验室,西安710089
【正文语种】中 文
【中图分类】索爱m600V279;V249.1
0 引 言
编队飞行最初是针对空间飞行器而提出的，近年来随着研究的深入，提出了无人驾驶飞行器编队飞行的概念。无人机编队飞行，即控制多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列，并使其在整个飞行过程中保持队形不变，编队的主要目的就是保持各飞机之间所给定的相对姿态和相对位置，同时还需要控制整个编队进行机动[1]。编队飞行的无人机能通过信息共享在飞行中改变队形，自主地应对突发事件，并根据面临的具体情况来分担各自的任务。
无人机编队飞行有着单架无人机无法比拟的优点[2-4]：扩大视野和搜索侦察的范围，实现对目标的全方位多角度立体拍照，提高信息的准确性和可靠性；近距离编队飞行可以使整
体的阻力减小，实现相当于大展弦比飞机的气动性能，可以极大的节省动力；可以用于空间飞行器编队技术的验证试验，极大缩短研制周期并减少支出；对于通信用无人机，可以提高通信距离、容量和准确度；对于无人战斗机而言，编队可以提高无人战斗机的整体作战效率和抗突发事件的能力，更好地适应复杂的战场环境，从而完成任务。虽然无人机的发展和研究进展较快，但无人机编队飞行却属于一个较新的研究领域，国外学者和机构主要致力于无人机编队队形设计、编队控制与保持、编队飞机间气动耦合效应、编队飞机间信息互换和处理等方面的研究[5-6]。
本文主要针对编队控制，考虑长机翼尖涡流对僚机的影响，为了简化分析，采用长机/僚机(Lead-Wing)集中式控制结构[7]，通过设计僚机编队控制器完成队形控制与保持，通过仿真验证，证明所设计的控制器可以很好的保持队形达到控制效果。
1 编队飞行模型的建立
1.1 编队飞行相对运动模型
船长教学设计以两架无人机标准菱形编队为例[8]，设领队机为长机(L)，跟随机为僚机(W)，长机和僚机
处于同一水平面内，采用固连于僚机的旋转参考坐标系，其x轴与僚机速度矢量方向一致，y轴指向机翼右侧，z轴向下，编队飞行相对运动关系如图1所示。图中：vL、vW分别为长机与僚机的速度；ΨL、ΨW分别为长机与僚机的航向角；ΨE=ΨL-ΨW为航向偏差，x和y表示两机间的相对间隔距离在旋转参考系中x轴和y轴的分量。
图1 编队飞行相对运动图Fig.1 Relative motion diagram of formation flight
msn shell根据运动关系，长机与僚机编队相对运动方程为
(1)
1.2 近距编队中的气动耦合效应
在无人机近距编队飞行中，飞机各自产生的涡流之间的影响非常复杂，尤其是多架无人机参与编队时，各架无人机之间的相互影响难以用精确数学模型进行描述，并且不同队形的气动效应不同，此时需要对各架无人机之间的相互关系和涡流作用进行适当的简化。
本文采用马蹄涡模型(Horse-Shoe Vortex)研究紧密编队中僚机受到长机翼尖涡的影响。利
用升力线理论将编队中的无人机用基本的马蹄涡模型代替，双机紧密编队的简化示意图和僚机机翼受力图如图2所示。图中：b为翼展；表示两机之间纵向相对距离；表示两机之间横向相对距离；Γ为长机所产生的涡强度；α为无洗流影响时的飞机迎角；Δα是长机上洗流所引起的僚机迎角增量；W为上洗速度；v为无涡影响下的僚机速度；v′为洗流影响后的速度；L为无涡影响下的升力；L′为洗流影响产生的升力；ΔL为升力变化量；D′为洗流影响下的阻力；D为无涡影响下的阻力；ΔD为阻力增量。
(a) 简化涡模型
(b) 僚机机翼受力示意图图2 编队飞行简化涡模型及僚机机翼受力示意图Fig.2 View from above the two aircraft and sideview of wingman’s lift rotation
从图2可以看出，编队中僚机都处在长机尾涡产生的上洗气流区域中，增大了飞机的有效迎角，减小了诱导阻力。
根据Biot-Savart定律[9]推出双机近距编队中长机所产生的涡强度和上洗气流平均诱导速度估算公式。
(2)
(3)
式中：v表示飞机的飞行速度；CLL是长机升力系数；AR是僚机的展弦比；μ是上洗修正因子；表示两机之间垂向相对距离，z为单位方向向量。孙志刚事件
为了简化分析，假设长机沿展向所产生的流场对僚机的影响忽略不计，同样僚机所产生的涡流对长机的影响也忽略不计。翼尖涡随距离的增长而减弱直至无穷远处消失，但在编队范围内认为涡的强度不变。长机机翼产生的上洗流引起僚机机翼攻角变化，迎角的变化致使升力和阻力发生变化，僚机升力变化如图2所示，基于Biot-Savart定律的翼尖涡模型推出僚机升力增量。
(4)
式中：aW是僚机升力线斜率。
1.3 自动驾驶仪模型
假设编队中的两架机完全相同，每架机上都装有自动驾驶仪，为更精确描述真实飞机中的自动驾驶仪模型，编队保持的自动驾驶仪模型采用二阶模型[10]，其动力学模型为
(5)
式中：v、Ψ、H分别表示飞机的速度、航向和高度；下标c表示编队控制指令；τv为速度时间常数；τΨ为航向时间常数；τh为高度时间常数。时间常数值如表1所示。
表1 时间常数Table 1 Time constant value时间常数数值/s时间常数数值/sτv5.000τΨa0.330τΨb0.330τha0.307τhb3.843
由式(1)～式(5)得出无人机双机编队飞行的六自由度非线性控制系统方程。
(6)
式中：ζ为引入的中间变量；m为质量；S为机翼面积；为动压；ΔCLw、ΔCDw、ΔCYw分别为洗流影响产生的升力、阻力、侧力增量，垂向距离z=HW-HL，并假设长机和僚机在垂直方向的运动是相同的；下标W表示僚机，L表示长机，c表示控制量。
2 僚机编队控制器设计
双机近距编队中，控制系统的设计不同于单机，不仅要求控制单架飞机使其稳定，而且还要控制其在编队过程中相对于长机或者选定的参考点的位置和距离符合要求。僚机跟随长机的状态改变，包括航向变化、速度变化、高度变化等，从而使整个编队队形保持不变；同时编队控制的另一个方面还要控制整个编队进行机动，这是因为对装备有编队保持自动驾驶仪的飞机，僚机是由编队保持自动驾驶仪控制的，长机的任何一种机动，都会产生误差信号，并被输入给僚机使其状态发生改变，自动跟随长机的机动。长机的运动对僚机的运动会产生较大的影响，尤其是长机所产生的涡流，在僚机控制器设计中，将长机的运动作为干扰加入系统中。本文采用PI控制，比例项完成被控量的调整与稳定，积分项消除被控量的静差以提高稳态精度。
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