FMT作為國(guó)內(nèi)首個(gè)基于模型開(kāi)發(fā)的開(kāi)源飛控系統(tǒng),此前在多旋翼無(wú)人機(jī)F200上的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均達(dá)預(yù)期。在圓滿(mǎn)完成 F200的測(cè)試后,F(xiàn)MT項(xiàng)目組開(kāi)始著手對(duì)固定翼飛控系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā),目前FMT固定翼已實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)、定高、定點(diǎn)功能,航點(diǎn)功能預(yù)計(jì)在本月內(nèi)實(shí)現(xiàn),下方為FMT固定翼的功能測(cè)試視頻:
當(dāng)前用到的算法模型有:
導(dǎo)航:Base_INS
飛行管理:FW_FMS
控制器:FW_Controller
常規(guī)布局固定翼飛機(jī)由機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼四部分組成。本次FMT固定翼飛控開(kāi)發(fā)的機(jī)型動(dòng)力系統(tǒng)為左右機(jī)翼對(duì)稱(chēng)安置雙發(fā)電機(jī),操縱機(jī)構(gòu)有機(jī)翼上的副翼、水平尾翼上的升降舵、垂直尾翼上的方向舵。
相對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)飛控開(kāi)發(fā),固定翼飛機(jī)飛控開(kāi)發(fā)難點(diǎn)主要在于固定翼飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性更為復(fù)雜,目前航空航天的飛行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本都是在已經(jīng)算出飛機(jī)模型的空氣動(dòng)力學(xué)特性的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。而對(duì)于小型固定翼無(wú)人機(jī),在沒(méi)有已知的空氣動(dòng)力學(xué)特性的情況下,主要依靠試飛或者是開(kāi)環(huán)仿真來(lái)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)優(yōu)化。
Stabilize(自穩(wěn))首先
,這個(gè)控制器主要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角速率的控制,對(duì)應(yīng)著自穩(wěn)功能的實(shí)現(xiàn)。自穩(wěn)模式下的控制指令由FMS模塊將遙控器通道的搖桿位置映射成滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角速率發(fā)出,Controller將接收到姿態(tài)角的期望值,同時(shí)接受到INS模塊檢測(cè)到的當(dāng)前姿態(tài)角,將兩者作差,得到姿態(tài)角誤差輸入,最終轉(zhuǎn)化為副翼、升降、方向的三個(gè)舵偏角輸出。首先滾轉(zhuǎn)角、俯仰角誤差值進(jìn)入外環(huán)角度P控制轉(zhuǎn)化為期望角速度,根據(jù)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角將計(jì)算出當(dāng)下協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎的期望偏航角速度,同時(shí)偏航操縱桿映射的偏航角速率期望會(huì)與其相加。經(jīng)過(guò)外環(huán)控制后,得到三個(gè)方向的滾轉(zhuǎn)角速度,內(nèi)環(huán)控制由期望值前饋控制和誤差值pi控制組成,前饋能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,積分控制器可以有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差。經(jīng)過(guò)前饋和pi控制得到歸一化的飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,將得到的歸一化指令通過(guò)混控器轉(zhuǎn)化為PWM指令輸出分配給末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電調(diào)和舵機(jī)。
Altitude(定高)定高模式下,F(xiàn)MS將油門(mén)桿位置映射成需要控制的飛行速度,將俯仰桿位置映射為爬升下降速度,當(dāng)檢測(cè)到俯仰桿歸中時(shí),會(huì)記錄回中時(shí)刻的高度值,以此刻的高度作為高度控制量,當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)產(chǎn)生高度差時(shí),則會(huì)輸出垂直方向的速度制導(dǎo)指令。FMS最終將飛行速度和垂直方向速度指令發(fā)送給Controller的TECS CORE模塊,由TECS CORE解算出最終的油門(mén)以及俯仰角指令,油門(mén)指令給到混控器,俯仰角指令給到姿態(tài)控制器,由姿態(tài)控制器解算出最終歸一化指令發(fā)送給混控器。
定高模式其中核心算法為T(mén)ECS總能量控制,關(guān)于總能量控制的數(shù)學(xué)原理在此不做詳細(xì)講解。算法核心為將總能量誤差和平衡變化率誤差采用pi控制,總能量和平衡變化率采用前饋控制。對(duì)應(yīng)到實(shí)際物理狀態(tài)下的表現(xiàn)為使用油門(mén)來(lái)控制飛機(jī)的總能量即動(dòng)能加重力勢(shì)能,用升降舵來(lái)控制動(dòng)能和重力勢(shì)能之間的平衡轉(zhuǎn)化。
定點(diǎn)模式下,飛機(jī)將保持水平勻速直線(xiàn)飛行。相較于定高模式,定點(diǎn)模式會(huì)在定高的基礎(chǔ)上保持當(dāng)前航向,抵抗外界干擾(如側(cè)風(fēng))對(duì)飛機(jī)飛行軌跡的偏離影響。具體實(shí)現(xiàn)為切換至定點(diǎn)模式時(shí),F(xiàn)MS將根據(jù)當(dāng)前的飛機(jī)朝向生成一條射線(xiàn),以飛機(jī)為圓心,參數(shù)L1為半徑作圓,圓與射線(xiàn)的交點(diǎn)生成為期望航點(diǎn)。FMS根據(jù)期望航點(diǎn)來(lái)生成L1的側(cè)向期望加速度,將加速度指令發(fā)送給Controller,由Velocity Controller來(lái)解算出需要修正的期望滾轉(zhuǎn)角。期望滾轉(zhuǎn)角輸入Attitude Controller,最終由Attitude Controller輸出舵偏角。
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