摘 要 当前无人机已经应用在了军事、民用、商业和科研等众多领域，而无人机的起降一直是一项重要的研究课题，对于无人机安全的执行任务发挥了重要的作用。对此本文从无人机的起飞和降落两个阶段分别进行了详细的研究。
　　【关键词】无人机 起飞与降落 控制规律
　　无人机简称无人驾驶飞机，是一种通过动力驱动的无人驾驶和可重复使用的飞行器。无人机在某些方面具有自身独特的优势，低成本、零伤亡、低损耗、重复使用和高机动的特性使其应用范围逐步扩展到军事、民用、商用和科研等诸多领域。当前无人机在起落阶段的自动化水平并不高，很多方面都是依靠无人机操作手的熟练操作和自身技能才能达到正常的起飞和降落。由于操作手的介入使得无人机在很大程度上无法实现全自动化操作，也限制了无人机起落的可靠性能。无人机在起降是顺利完成各项任务的基础和前提，因此如何保证无人机在各种不同的地形和环境中能够轻松自如的完成自主起降，直接决定了无人机承担的任务的完成效果，在军事上也决定了能否给予敌方有效地打击从而降低自身的损失。可见对于无人机的起降研究是十分重要的。
　　1 无人机自动起飞控制律的研究
　　1.1 无人机自主起飞过程描述
　　轮式起降的无人机，在起飞之前需要先在机场跑道上做慢车滑行，到达起飞点后在跑道上进行加速滑跑，随着速度的增加，前轮开始离地形成飞迎角，直到无人机完全飞离地面。在整个过程中，主要分为三轮滑跑、两轮滑跑和爬升到安全高度三个阶段。其示意图如图1所示。对于自主飞行的无人机而言，无人机只需要在控制系统的操作下，确定其滑跑阶段的航向与跑道中心线一致，启动发动起起飞加速到前轮抬起离地就可以顺利的完成整个起飞过程。整个飞行过程的具体内容如下所述。
　　1.1.1 三轮着地滑跑阶段
　　当无人机停在跑道中心线准备起飞的时候，发动机便处于最大推力状态，然后松开刹车，无人机便在侧偏控制律作用下加速滑跑。在无人机逐步滑行的过程中，速度会逐渐增大，受到的空气升力也会不断的增加。当无人机前轮受到的地面支撑力为零时，控制舵面或偏转升降舵在俯仰力矩的作用下前轮逐渐离开地面，此时无人机进入两轮着地滑跑阶段。如果无人机能够具备优良的爬升性能，也可以通过降低前轮速度来实现短距起飞。
　　1.1.2 两轮着地滑跑阶段
　　进入两轮着地滑跑阶段，需要注意舵面操作的平稳性，无人机需要保证两轮滑跑阶段的平衡直到达到离地速度才可以自动离地起飞。无人机的自动起飞系统应该能够检测到无人机的滑跑速度和离地速度，当无人机达到离地速度的时候，自动偏转襟翼到起飞位置，无人机开始离开地面。
　　1.1.3 离地爬升至安全高度阶段
　　当无人机两轮滑跑速度达到离地速度后，无人机正式以起飞迎角离开地面，接着将会进入快速爬升阶段，快速提升飞行速度来保证无人机的安全性。当无人机爬升到15米高度时，便进入国内规定的安全起飞高度，这时起落架可以收起以减少空气的阻力。在这个阶段，无人机一直处于加速飞行状态，直到其顺利通过机场障碍物。当到达安全的高度后，襟翼开始收起，其后随速度增加，则逐渐回舵，使得升降舵偏角逐渐减小。
　　在无人机的起飞过程中，滑跑纠偏控制律和起飞控制律发挥了重要的作用，这是因为在整个起飞的阶段，无人机不仅需要在跑道的中心线进行加速滑跑，还需要在起飞的一刻建立起飞姿态，保证安全起飞。在之前的研究中，滑跑纠偏控制律控制舵面单一，都是选择前轮进行转弯控制，控制效率低。而传统的纵向起飞控制率则采用的是简单有效的内外回路控制结构。
　　1.2 滑跑纠偏控制
　　滑跑纠偏控制在无人机的安全起落中发挥了重要的作用，是无人机地面滑跑阶段最为重要的控制技术。考虑到无人机本身结构设计中存在的不对称性，以及机场跑道上的气流、风向和地面凸凹等不确定因素的影响，无人机在滑跑过程中并非沿着跑道中心线滑跑，而是在滑跑过程中出现偏离跑道中心线的情况，这时就需要对无人机及时的进行纠偏，防止无人机跑离跑道，造成严重的飞行事故。无人机地面滑跑纠偏的控制机构通常有自由转向前轮、主轮差动刹车装置和方向舵。其中自由转向前轮是依靠安装在前起落架上的转向舵机对前轮偏转角度进行控制以实现滑跑方向的纠偏控制；主轮差动刹车装置是依靠安装在主起落架上的刹车装置推

左右主轮对地面产生摩擦力偏差以实现单个主轮的刹车控制，从而实现滑跑方向的纠偏控制；方向舵则是利用空气动力来产生侧向力从而实现对滑跑方向的纠偏控制。
　　1.3 起飞控制策略选择及控制律介绍
　　1.3.1起飞控制策略选择
　　在不同的滑跑阶段，起飞控制策略选择上也各有不同：
　　（1）三轮滑跑阶段：此阶段控制策略选择主要是推力矢量舵和鸭翼舵不偏转，保持零偏转角。
　　（2）两轮滑跑阶段：此阶段控制策略选择主要是联合偏转鸭翼和推力矢量舵面来完成对起飞姿态的建立，从而确定起飞姿态角。
　　（3）离地爬升阶段：此阶段控制策略选择主要是鸭翼和推力矢量舵面联合偏转，对气流干扰的抵制能力有所增强。
　　1.3.2 控制律介绍
　　无人机自动起飞过程中，起飞段的飞行控制规律主要分为纵向和横向控制两个方面。纵向控制规律对于无人机起飞离地的安全性至关重要，这也是无人机安全执行空中任务的基础。
　　（1）升降舵控制系统：无人机的起飞过程中，对于升降舵控制律的设计主要是考虑了抬前轮和离陆爬升两个阶段。其中，把飞机的离地作为两个控制率的切换。当无人机在地面进行加速滑跑的过程中，当滑跑速度逐渐增加达到离地速度时，把此刻的俯仰角作为控制量，产生舵偏角信号进而控制升降舵负偏转，无人机的前轮便开始慢慢的抬升，两轮保持滑跑，形成一定的起飞迎角。当无人机起飞离开地面后，同样通过返回俯仰角偏差信号来控制升降舵偏转，使无人机保持一定的角度进行快速的爬升。 　　（2）推力控制系统：当无人机离开地面进入爬升过程时，就需要采用推力控制系统进行控制，此时无人机按照一定的速度和航迹角在推力控制系统作用下进行快速爬升。推力控制系统控制律的设计方法通常有传统的推力控制系统和迎角稳定系统。传统的推力控制系统又称为直接稳定速度，其设计方法相比迎角稳定系统来说简单直观，更容易直观的反映出发动机转速对于无人机飞行速度的影响；而迎角稳定系统则由于缺乏阻尼极易出现较大的超调，直接对速度进行控制可以有效地的克服以前出现的在跟踪迎角的同时速度而变化很大的问题，因而其控制效果最为明显。
　　2 无人机自动着陆控制律的研究
　　2.1 无人机着陆描述
　　无人机的着陆和普通飞机的着陆是非常相似的，当无人机飞行在机场上空准备着陆时，也是在某一个高度平飞，飞行到着陆下滑窗口时，进行“轨迹捕获”，沿着下滑轨迹线飞行，高度逐渐降低，直到安全的与地面接触，发动机开始停止工作，飞机刹车减速滑行。整个过程分为五个阶段，如图2所示。
　　第一阶段：进场。这个是无人机准备着陆的阶段，此时无人机保持一定的飞行速度和飞行高度，并且适时调整逐步达到合适的范围内。
　　第二阶段：轨迹捕获。此次无人机到距离机场跑道还有一定的水平距离，无人机做准备下滑，通常这一位置称作下滑窗口。
　　第三阶段：下滑。无人机在控制规律的作用下进入到下滑轨迹，通常沿着直线下滑，这一阶段无人机保持一定的飞行速度和飞行姿态，跟踪下滑轨迹，飞行的控制律也保证了无人机飞行的平稳性。
　　第四阶段：拉平。无人机下滑到一定高度时，就要进入拉平飘落阶段，这个时候要让无人机抬头形成一定的迎角，实现后轮首先着地，同时拉平还有利于减小下滑的速度，保证无人机以较小的冲击力进行安全着陆。
　　第五阶段：地面滑行。无人机后轮着陆后，在地面和自身的惯性下前轮也会完成着陆。发动机开始停止工作，无人机进行刹车或降落时减速，同时保持无人机沿着跑道的中心线进行滑行。
　　如上所述，无人机的着陆控制的关键点就是轨迹的控制，跟踪下滑轨迹，保持飞行姿态的平稳，以消除飞行过程中各种因素对姿态平稳性的影响。
　　2.2 着陆控制策略的选择
　　自动着陆过程总共分为五个阶段，每个阶段分别采用不同的控制策略。
　　（1）进场飞行阶段。进场飞行阶段主要是为无人机着陆做准备的，此时无人机的起落架自动放下，整个过程中纵向和横侧向由航路信息决定控制方式进行控制，设计航路通常为平直飞。
　　（2）轨迹捕获阶段。无人机从当前的飞行状态进入到沿着下滑线下降是飞机着陆过程中相对比较重要而且复杂的阶段，无人机的下滑过程中的安全与稳定很大程度上取决于这个阶段的过渡。无人机通常采用“撞延长线”的方

式来进行轨迹捕获。从飞行安全的角度来考虑，无人机在穿过下滑线进行下降时，采取低于下滑线下降的形式要比高于下滑线下降的形式好。所以，在轨迹捕获控制中，可以采用穿过轨迹剖面后再切入进去，跟踪轨迹的剖面。对于这一阶段的控制也是有航路信息所决定的。
　　（3）直线下滑阶段。通过直线下滑阶段可以有效地减少或消除捕获阶段带来的高度和速度的偏差，建立和稳定无人机的等效空速，跟踪高度剖面，以对准跑道，做好着陆前的最后准备。在这一阶段，横向采用航迹进行控制，纵向则采用高度跟踪控制。下滑段的高度跟踪控制和起飞时的给定高度控制是不一样的，尽管下滑轨迹倾角小，但是必须要考虑高度跟踪控制的斜坡响应特性，从而尽量的减小跟踪误差。尽管没有直接的闭环控制手段来对下滑线上速度进行调整，但是可以通过跟踪轨迹剖面来保持一定的姿态，进而对速度实现调整。
　　（4）末端拉起阶段。通过末端拉起阶段能够有效地降低无人机的速度，使无人机在接近高度剖面飞行，使的无人机在触地时的位置、速度和迎角等各项指标都处于安全的范围内。在这一阶段，横侧向和纵向还是分别采用航迹和高度控制的方法，进而对准跑道。这个阶段由于速度逐渐的减小，控制能力越来越低，在拉起阶段无人机无法准确的对准高度剖面，控制系统也只能确保无人机具备沿着轨迹剖面下滑，进而相对准确的控制着陆点的位置。
　　（5）地面滑跑阶段。当无人机着陆后，纵向变成姿态控制，发动机从空中慢车状态变为停车状态，俯仰角也逐渐变为零；横向通道横滚改出，机翼保持水平姿态；方向舵通道接通航向控制，当速度降到70km/h时，使用主轮差动刹车以实现对航向的有效控制。
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　　作者单位
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