三角飞翼太阳能无人机及其姿态控制设计

刘东辉 杜亚昆 奚乐乐 佟丽娜

摘 要：无人机飞翼布局形式决定了它有诸多独特的技术优势，所以世界上出现了很多先进的无人机飞翼布局形式。本次课题为了设计能适应长时间飞行且气动性能优越的飞翼布局无人机，拟将太阳能供电技术给无人机提供動力源，设计一种三角飞翼布局的太阳能无人机，并对其进行姿态控制系统设计以得到更好的设计效果。

关键词：三角飞翼；太阳能；无人机；姿态控制

引言

随着无人机在军事和民用领域发挥越来越重要的作用，无人机技术的发展得到了很多国家的重视。飞翼布局无人机有诸多独特的技术优势，所以世界上很多先进无人机采取飞翼布局形式。

太阳能飞机是以太阳光辐射能为能源的电推进飞行器，具有巡航时间长、飞行高度高、成本低等特点，而且可以灵活执行多种任务，清洁无污染。目前世界上还没有实用的太阳能飞行器，且将太阳能动力与飞翼气动布局相结合的案例寥寥无几，各国相关的科学研究正在持续进行中。

1 整机方案的确定

飞翼结构无机身、无水平尾翼和垂直尾翼，从机体结构看，机体内部空间可以得到最大限度利用。这种结构的设计不仅有利于增加结构强度而且还可以减少结构重量，并且可以承受高机动产生的过载力。从气动外形看，翼身融为一体，使整架飞机作为一个升力面，这样可以较大的增加升力。同时这种翼身相结合的结构可以大幅度降低干扰阻力和诱导阻力。总体说来，无尾飞翼布局一体化设计，可大大增升减阻，减少重量和翼载荷，对提高续航时间和机动性等飞行性能极为有效。

2 姿态控制系统设计

2.1 姿态测量和传感器校正

陀螺仪和加速度模块主要由MPU-6050及其周围电路组成。由于实验条件限制，传感器的校正只有一项，即加速度计。静态时加速度计测的是等效重力加速度场。加速度计测量的对象是比力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加速度为0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速度计。加速度计的校正的思路为：对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重力加速度。所以校正加速度计的整体流程为：测量一批静态数据，要尽可能在球面上分布均匀，然后用这批数据生成方阵，然后求方程的近似解，最后得到校正参数。

有了传感器的数据，就可以用来计算姿态。计算姿态主要用到两个传感器：陀螺仪、加速度计。加速度计测量对象为比力，受运动加速度影响大。而陀螺仪则受外部的影响弱，稳定性好，但输出量为角速度，需积分才能得到姿态，无法避免误差的累积问题。为了得到稳定的、近实时的姿态，对各传感器的数据取长补短，本设计采用互补滤波法，如图1。

Mark Euston 提出了运算量比梯度下降法更小的互补滤波法。相比梯度下降法用加速度算姿态的梯度，互补滤波法是把加速度误差构造成纠正旋转，叠加到陀螺测出的角增量上，实现高效的数据融合。陀螺仪和加速度模块主要由MPU-6050及其周围电路组成。由于实验条件限制，传感器的校正只有一项，即加速度计。静态时加速度计测的是等效重力加速度场。加速度计测量的对象是比力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加速度为0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速度计。加速度计的校正的思路为：对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重力加速度。

2.2 姿态控制

根据被控姿态的表示方式，分为欧拉角控制和四元数控制。为了避免复杂的精确动力学建模，选用PID 控制器。若选用欧拉角来控制姿态，每次控制都要计算三次三角函数，运算量很大。为了避免三角函数，可直接用姿态四元数来控制。思路为先求姿态差，再把姿态差输入到PID控制器，来输出舵机旋转角变化量。当前姿态记为c，目标姿态记为t，从当前姿态转到目标姿态的旋转，即姿态差，记为d，则有：

假定姿态差为小量，三角函数可以用小角替换，根据四元数表示姿态的意义，xd、yd和zd为各轴旋转角的一半，可以作为PID 的输入：

2.3 算法效果

主要针对加速度计进行了校正。再比较校正前后的长度误差分布，校正前的相对误差分布如图2，校正后的相对误差分布如图3。

3 结束语

文章详细论述了姿态控制系统的设计方案和算法，从传感器校正、数据融合、姿态控制、算法效果和最终的试飞状况，充分地展示了姿态控制系统对整个无人机的辅助稳定作用。通过对姿态控制系统的设计、分析与大量计算，飞机的可操控性达到了较为理想的状态，整体效率也有所提高，基本达到设计目标。

参考文献

[1]王豪杰.飞翼类特殊布局无人机气动力设计研究[J].西北工业大学学报， 2011，29（5）：789-793.

[2]邓海强，余雄庆.太阳能飞机的现状和发展趋势[J].航空科学技术， 2006（1）：28-30.

[3]魏庆.太阳能无人机[J].生命与灾害，2012（8）：24-27.

[4]蒋庆仙.关于MEMS 惯性传感器的发展及在组合导航中的应用前景[J].测绘通报，2006，9：5-8.

[5]王松桂，张忠占，程维虎，等.概率论与数理统计（第二版）[M].北京：科学出版社，2009：185-189.

作者简介：杜亚昆（1989-），男，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：电机电器的智能控制。