横向/纵向自动驾驶仪设计过程

        用连续闭环设计小型无人机的横向和纵向自动驾驶仪。

        横向驾驶仪包括作为内环的俯仰姿态控制和作为外环的航迹角控制。下图用连续闭环显示了一个横向自动驾驶仪的框图。与横向驾驶仪相关的增益有5个。(滚转)微分增益提供了最内环的滚转率阻尼。滚转姿态由(滚转)比例增益和(滚转)积分增益调整。航线角由(航线角)比例增益和(航线角)积分增益调整。用到连续闭环的主要原因是：增益首先在最内环开始选择,然后再逐渐向外选取。特别地,首先选择(俯仰)微分增益和(俯仰)比例增益，其次是(滚转)积分增益，最后是(航线角)比例增益和(航线角)积分增益。

利用连续闭环的横向控制自动驾驶仪

        纵向自动驾驶仪更加复杂,同时依赖于飞行高度。在每个区域都用俯仰-姿态控制环作为内环。在起飞区域,MAV 油门最大,同时调整 MAV 保持一个固定的起飞俯仰角。在上升区域,MAV油门最大,空速由俯仰-空速控制自动驾驶仪调整。下降区域和上升区域类似(除了MAV的油门最小)。在高度控制区域,高度由高度-俯仰自动驾驶仪来调整,而空速由油门-空速自动驾驶仪环控制。

纵向自动驾驶仪的飞行状态

横向自动驾驶仪设计过程

1 输入：传递函数系数$\mathit{a}_{\mathit{\phi1 } }$和$\mathit{a}_{\mathit{\phi2 } }$，标准空速$\mathit{V}_{\mathit{a } }$和副翼极限$\delta _{a}^{max}$。

2 调整参数：滚转角极限$\phi^{max}$，阻尼系数$\zeta _{\phi}$和$\zeta _{\chi }$，滚转积分增益$k _{i\phi }$，带宽隔离$W _{\chi } >1$，其中$w _{n\phi} =W _{\chi}w _{\chi}$。

3 计算自然频率：用式(6.8)计算内环$w _{n\phi}$的自然频率，外环的自然频率为$w _{n\chi } =\frac{w _{n\phi }}{W _{\chi}}$。

        滚转回路的自然频率：

4 计算增益：用式(6.7)、式(6.9)、式(6.12)和式(6.13)计算增益$\mathit{k}_{\mathit{p\phi } }$，$\mathit{k}_{\mathit{d\phi } }$，$\mathit{k}_{\mathit{p\chi } }$和$\mathit{k}_{\mathit{i\chi } }$。

纵向自动驾驶仪设计过程

1 输入：传递函数系数$\mathit{a}_{\mathit{\theta1 } }$,$\mathit{a}_{\mathit{\theta2 } }$,$\mathit{a}_{\mathit{\theta3 } }$,$\mathit{a}_{\mathit{V1 } }$和$\mathit{a}_{\mathit{V2} }$，标准空速$\mathit{V}_{\mathit{a } }$和升降翼极限$\delta _{e}^{max}$。

2 调整参数：俯仰角极限$\theta^{max}$，阻尼系数$\zeta _{\theta}$，$\zeta _{h }$，$\zeta _{V}$和$\zeta _{V2}$；自然频率$w _{nV}$，高度环的带宽隔离为$W_h$,空速俯仰环的带宽隔离为$W_{V2}$。

3 计算自然频率：用式(6.19)计算俯仰环的自然频率$w _{n_\theta}$，用$w _{n_h } =\frac{w _{n_\theta }}{W _{h}}$计算高度环的自然频率，用$w_{n_{V_2}} =\frac{w _{n_\theta }}{W _{V_2}}$计算利用俯仰环空速的自然频率。

        俯仰环的自然频率：

4 计算增益：用式(6.20)和式(6.22)计算增益$k_{{p_\theta}}$和$k_{{d_\theta}}$，用式(6.23)计算俯仰环的DC增益；用式(6.25)和式(6.24)计算增益$k_{{p_h}}$和$k_{{i_h}}$；用式(6.28)和式(6.27)计算增益$k_{{p_{V_2}}}$和$k_{{i_{V_2}}}$；用式(6.30)和式(6.29)计算增益$k_{{p_{V}}}$和$k_{{i_{V}}}$。

        俯仰比例增益、俯仰微分增益：

         俯仰环的DC增益（俯仰环的带宽极限）:

          增益$k_{{p_h}}$和$k_{{i_h}}$：

          增益$k_{{p_{V_2}}}$和$k_{{i_{V_2}}}$：

          增益$k_{{p_{V}}}$和$k_{{i_{V}}}$：

          用连续闭环来设计小型无人机的横向和纵向自动驾驶仪。横向驾驶仪包括作为内环的俯仰姿态控制和作为外环的航迹角控制。纵向自动驾驶仪更加复杂,同时依赖于飞行高度。在每个区域都用俯仰-姿态控制环作为内环。

————————END————————