变翼四轴飞行器飞控系统及姿态研究

2万 · 2019-5-28 10:57

变翼四轴飞行器飞控系统及姿态研究

2万 · 2019-5-28 11:00

本课题在四轴飞行器上采用变后掠翼技术，主要是针对变翼四轴飞行器姿态相关问题
进行研究，进而对变翼四轴飞行器相应的软件和硬件进行设计，同时对变翼四轴飞行器的
切换控制系统进行了相关研究。本文首先对国内外变翼四轴飞行器的发展现状进行描
述，然后对捷联惯导技术与测姿原理进行了详细的介绍。其中重点是对载体姿态
解算方法进行研究，通过对欧拉角法、方向余弦法、四元数法这三种姿态解算方
法进行对比分析，在欧拉角描述姿态时会出现奇异性问题，而方向余弦法计算量
过大，于是采用基于四元数法结合四阶龙格库塔法求解四元数微分方程获得姿态
角，从而实现姿态解算。使用捷联惯导系统能够降低成本、简化维修时间、提高
可靠性，但存在惯性器件自身的特性问题。在静态条件下使用陀螺仪对姿态数据
进行采集时存在着常值误差和随机偏移误差，在对姿态数据进行解算时会有角度
漂移，导致不能长时间进行精确测量;类似的，加速度计在载体运动状态时会引
入线性加速度，导致水平倾角(俯仰角和横滚角)计算不准确;磁力计则容易受
到地磁干扰偏航角产生误差。因此，为解决所述问题，本文采用卡尔曼滤波算法
进行数据融合来得到最佳姿态角。

2万 · 2019-5-28 11:00

接着，以STM32F407为核心设计了小型飞控系统来获取载体姿态信息，该
飞控系统主要由航姿测量模块、GPS导航模块、气压测高模块和执行机构系统构
成。为实现数据采集，硬件器件上选用六轴MPU-60_50传感器以及MAG3110等
传感器，软件上通过对各个传感器模块进行驱动调试和测试。
最后，为对姿态数据采集和测试的方便，选择三轴飞行仿真平台测试环境，
将得到的姿态数据在MATLAB环境下进行仿真，通过对基于卡尔曼滤波组合测
姿与原始测姿数据的对比，有效的证明了组合测姿解算得到的姿态角效果更好。

2万 · 2019-5-28 11:01

四轴飞行器(UAV，是一种远程遥控或没有飞行员驾驶的飞行器。其本质是用
电子设备取代飞行员航行。UAV拥有成本低、损失少、无人员死伤、体积小、可
重复使用、环境适应性强和高机动性等优势，被运用于军事、民用以及科学研究
三大领域。在军事上运用于空中监视、靶机、信息战、军事袭击和预警等，在民
用上运用于气象观测、视频航拍、城市环境检测、地球资源勘探以及森林防火等，
在科学研究方面运用于对核生化污染地区的取样与监控、新机实验、新技术和新
设备验证等。在现代战争中以信息技术为主，用四轴飞行器执行情报侦察、实施干扰、
后勤保障等任务，取得了很不错的战果，四轴飞行器在未来的战争中发挥的作用与潜
力将会变得越来越大。而目前四轴飞行器发展起来的新概念和新技术是不断提高飞机
总体飞行性能的尝试，为飞机的设计和改善多任务的灵活性提供了新的途径。
最早在20世纪30年代提出了变后掠翼飞行器的概念，为了克服飞行器接近
音速飞行时导致空气阻力急剧增加这一缺陷，较为有效解决这个问题的方法便是
采用变后掠翼技术。通过根据不同的航行环境适时的增大或减少机翼后掠角，给
予四轴飞行器最佳的航行条件。在四轴飞行器起飞、降落和低速航行期间，可以通过减小
后掠角，降低起飞和降落滑移距离，从而延长四轴飞行器的航程和续航能力。在无人
机进行高速航行时，可以通过增大后掠角，提高飞机的加速性能和高速航行能力。
采用变后掠翼技术的四轴飞行器相对于一般四轴飞行器具有更高的机动性和灵活性，以及
在现代空空对战中可以大大提升空军的战斗力。
在未来，变后掠翼飞行器会是一种低噪声、低能耗的飞机，起飞和降落在较
短的跑道上就可以完成，并且巡航时间会增加，作战能力也会提高。不仅如此，
将传统的操作舵面替换成可变形的光滑机翼，可以减少阻力，使得飞行器的隐身
J陛能提高。
将变后掠翼技术运用于四轴飞行器上，能够使其机动性得到提高，面对种种复杂
的环境也具有较强的适应能力，实现跨音速航行，目前在国防和民用范围内有非
常重要而广泛的运用，也是四轴飞行器在未来发展中的一个重要方向。如图1-1所示，
早期运用于军事上的变后掠翼战斗机。

2万 · 2019-5-28 11:04

2万 · 2019-5-28 11:05

四轴飞行器上使用变后掠翼技术，克服了空气阻力带来的问题，从而实现跨音速
航行。但变翼四轴飞行器在执行空中任务时易受到多种环境因素的影响，使其航行姿
态受到干扰。当航行姿态受到干扰时，变翼四轴飞行器的航行就会偏离预定的轨道或
出现“抬头”、“低头”、侧滑等现象，从而影响其任务执行效率。因此在工
程应用中，如何从含有噪声的数据中获得高精度四轴飞行器姿态数据及进行及时的姿
态控制是至关重要的。现阶段国内外研究的重点是通过捷联惯性导航系统(slNS>
技术来获取四轴飞行器姿态测量信息，slNs是获取四轴飞行器姿态测量信息的重要技术
之一。
捷联惯性导航系统(SINS)主要由惯性测量组件(IMU、导航计算机和控
制显示器等组成。IMU拥有三轴陀螺仪组件和三轴加速度计组件。SINS的使用
有以下几个主要优点:
   (1)使得系统体积变小、质量变轻，且方便进行维护。
   (2)能够直接得到载体坐标系轴向的线加速度和线速度，传输到载体稳定
      控制系统。
   (3)便于将惯性测量组件进行重复布置，因此在惯性测量组件上便于实现
      冗余技术，使得系统的性能和可靠性得到提高。
捷联惯性导航系统拥有诸多优点，但惯性测量组件中的三轴陀螺仪会随着时
间的积累使得误差累计，且载体运动时产生加速度以及电机运转时产生加速度会
对三轴加速度值的测量产生干扰。因此不可直接用于姿态的测量。三轴磁力计与
惯性传感器相比，短时间内的精度不高，但其测量值不会随着时间而积累、具有
体积小、高可靠性，可以辅助惯性系统进行测姿。

2万 · 2019-5-28 11:05

飞行控制系统对于整个变翼四轴飞行器机载设备，是其重要的组成部分，飞行控
制系统的性能优劣将直接影响着变翼四轴飞行器的各种性能和飞行安全。因此，本课
题针对捷联惯导系统测姿中存在的问题，使用四元数算法结合龙格库塔法进行载
体姿态解算，利用加速度计与磁力计作为载体的辅助测姿，将三轴加速度计与三
轴磁力计所获得的载体姿态信息与三轴陀螺仪提供的载体姿态信息通过卡尔曼
滤波算法实现多传感器信息的融合，从而得到高精度和高可靠性的载体姿态信息，
并在MATLAB环境下对载体姿态测量数据进行仿真，得出载体姿态角最佳估计
图，同时对变翼四轴飞行器飞行控制系统进行设计。

2万 · 2019-5-28 11:06

从1903年莱特兄弟解决了有人驾驶且重于空气的航空器的控制问题以来，
飞行器的性能在100多年里有了非常大的变化。上世纪70年代是可变形飞行器
首次进入快速发展时期，早期莱特兄弟就是使用了类似柔性变形翼的控制方式，
利用机械装置卷曲翼尖来达到滚转姿态控制，之后被更可靠的副翼控制方法所取
代。二战后期，德国空军寄托于新一代战斗机的研制以摆脱在战场上陷入被动的
局势。梅塞施米特公司研制的后掠翼P-1101喷气式战斗飞机便诞生了。P-1101
喷气式战斗飞机的机翼后掠角能够在地面调整为350、40“或者450，这是变
形飞行器概念的首次实际尝试。自第二次世界大战开始到结束，第一架P-1101的
原型机还有20%没有完成，因此没有进行实际的飞行验证。

2万 · 2019-5-28 11:09

在19_51至19_5_5年期间，美国贝尔公司在P-1101喷气式战斗机的基础上成
功研究了首架使用变后掠翼技术的X-_5型飞机，X-_5型飞机成功实现了在飞行中
使用变后掠翼技术，机翼后掠角能够在20“到60“范围内进行变化，验证了变
后掠翼技术对飞行器的低/高飞行时升/阻特性具有很大的影响。图1-2的左侧是
P-1101，右侧是X-_5 0

2万 · 2019-5-28 11:09

2万 · 2019-5-28 11:32

1968年，美国格鲁曼公司开始研制F-14“熊猫”战斗机，F-14战斗机是变
后掠翼飞行器发展史上最成功的一种机型。它不仅超越了先期研制的F-111，而
且和同时期前苏联研制的米格一23变后掠翼战斗机直接交锋中完胜对手。F-14是
航母舰载机，通过起飞时采用小后掠角以获得较大的升阻比便于在航母甲板上
短距离起飞;高空航行时则增大飞机的后掠角，能够减小在跨音速航行时所产生
的激波阻力。图1-3是F-14战机机翼后掠角变化图。左侧是小后掠角起飞图，
右侧是大后掠角高速飞行图。

2万 · 2019-5-28 11:33

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1970年至1980年之间，变后掠翼技术掀起了先进战斗机设计潮流，期间出
现了许多优秀具有多用途的变后掠翼战机。前后涌现了如B-lb, F-14、苏一24,
米格一24、狂风等众多型号的变后掠翼飞机。而在这许多型号的变后掠翼飞机中，
美国研制的F-14是技术最先进、最成熟的变翼飞机。
21世纪初美国DAPRA开始“变体飞机结构”项目的研究[[1l，飞行的目的是
使变翼飞机在不同的航行任务时，通过改变其气动外形便能保持最好的飞行状态，
新一代的“变翼飞机”设计又开始了。并资助了洛马公司(Lockheed Martin和
NextGen航空公司研制了MFX-2变体飞机，在Camp Roberts军用试验场进行了
多次自主飞行改变机翼后掠角的飞行实验。
变后掠翼技术研究浪潮再次兴起中，俄罗斯于1999年也开始研制PAK-DA
隐身战略新型轰炸机。PAK-DA隐身轰炸机如图1-4所示。2017年该新型轰炸机
研制工作将结束，2019年或2020年有望实现量产。MFX-2与PAK-DA均采用
了变后掠翼技术。

2万 · 2019-5-28 11:33

2万 · 2019-5-28 11:34

欧盟委员会提出的主动气动弹性飞机结构项目，希望通过对机翼形状连续的
调整来保证飞机在所有航行及负载条件下拥有最佳的效率。因此，提出了通过机
身气动弹性变形来使飞机效率得到提高的设计理念。

2万 · 2019-5-28 11:34

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1980年，我国对变后掠翼技术的运用进一步深入研究。历经8年多的辛苦
奋斗，变后掠翼飞机在设计技术方面取得了重大突破，使得气动布局(转抽接头、
三维应力计算、多约束优化技术等)、驱动机构以及飞机控制系统一系列技术难
题得以解决。
近年来，中国积极的发展可变体飞行器，很多相关的科研项目获得了国家的
鼎力支持。例如，2009年国家自然科学基金重点项目“可变体飞行器气动原理与
变形结构力学研究”和“近空间高声速可变体飞行器气动原理研究”等课题由中国
航空空气动力技术研究院的李锋主持，带领了国内相关研究的兴起。

2万 · 2019-5-28 11:39

由于飞行器系统的强祸合性，导致其控制十分复杂。早期为了降低控制设计
难度，将控制系统分成了内外两个环节一一导航制导和姿态控制。而且为了简化
姿态计算，又将飞行器的运动姿态数据进行了解祸，简化控制设计过程。
二十世纪初，当时的飞行控制装置是由电动陀螺仪发展而来的自动驾驶仪，
其主要的目的是为了帮助驾驶员缓解驾驶疲劳且为保持飞机能够平直飞行，只能
通过三轴稳定自动驾驶仪来实现。研究人员为了提高飞机的稳定性，研发了带有
角速度阻尼的增稳系统，由此自动驾驶仪慢慢的发展成为飞控系统。而后出现可
以通过飞行状态自动改变飞行参数的自适应自动驾驶仪。1960年末，从数字式
自动驾驶仪被使用于阿波罗飞船中起，至今被广泛应用，性能也逐渐得到了完善。

2万 · 2019-5-28 11:39

现代的自动驾驶仪基本由敏感元器件、控制器和伺服机构组成。而自动驾驶
仪的性能改善可以通过提高敏感元器件、控制器、伺服机构等相关元器件的性能;
改进控制器中的控制算法等。随着现代科技飞速的发展，加速度计和陀螺仪、舵
机以及GPS导航模块等机械传感器性能得到提升，自动驾驶仪各方面也得到了
很大的提升。
美国公司Geneva Aerospace研制了Flight TEK这款先进的自动驾驶仪，其主
要的特点是拥有很突出的任务管理系统，并使用Variable Autonomy Control
System结构体系来提高系统性能。美国公司Athena Technologies研制了GS511这
款高端的自动驾驶仪，该驾驶仪具有高精度IMU，航向和姿态的漂移精度为1度
}}1、时，且其平均故障时间大于20000小时，性能非常稳定。加拿大Micro Pilot公
司研制MP2028自动驾驶仪，其具有体积和质量都很微型化的特点，其重量为28g}
体积为100mm*40mm*15mm o

变翼四轴飞行器飞控系统及姿态研究

技术奇才奖章

伴坛终老