● 摘要
小型无人机具有成本低、响应快、携带方便、机动性好等优点，在军用、民用、极端环境等领域有着广泛的应用前景。飞行控制系统作为小型无人机的“大脑”，是其实现自主飞行、提高生存能力的核心关键设备。本文针对小型固定翼无人机自主起降的应用需求和发展现状，以其导航飞控系统的关键技术为轴线，对多传感器融合算法、大气数据计算、内环姿态控制、自主起降的制导控制、系统集成等诸多问题进行了深入的研究。首先，总结了国内外小型固定翼无人机系统发展概况及其起飞和降落的方式，分析、归纳了小型固定翼无人机自主起降的关键技术，确定了本文的研究内容和研究路线。高精度、高带宽的飞行状态信息获取是自主起降控制的前提。建立了惯性导航系统的捷联姿态、位置、速度的更新算法，并对MEMS陀螺仪和加速度计进行了易于工程应用的零偏建模，确定了系统的状态方程；针对GPS天线安装位置和INS不重合的情况，对其进行了杆臂补偿；提出了使用等效四元数校正的方法，建立了线性的磁强计的量测方程，降低了运算量和避免了地磁矢量校正法和磁航向校正法的缺点。接着对系统的状态方程和量测方程进行线性化，使之适合卡尔曼滤波处理，并给出了初始对准方案。最后结合实际的应用需要，给出了适用于小型固定翼无人机的大气数据计算方案，得出校正空速、真空速和气压高度等大气数据，并给出了气压高度和GPS高度相融合的方案。在制导与控制方面，分析了自主起降对内环控制和外环控制的要求，对不同的自主起降方式分别设计了相应的控制算法。首先，使用ESO观测器和增益调度的方法实现了自主起降的内环控制，提高了内环路对动压和气动中位的适应性；使用非线性水平航线制导率和基于速度分段的改进PID高度制导率，实现了适应不同速度情况下航线制导控制。接着，分析了小型固定翼无人机的常用起降方式，并给出了相应的控制算法和控制策略：使用自适应油门和俯仰角的控制方法，实现了适应不同海拔下的弹射起飞；使用了速度分段控制和压舵滑跑策略，实现了滑跑起飞控制；对开伞降落的策略进行了改进；使用下滑轨迹引导的方法，实现了滑跑降落；使用速度矢量控制的方法，实现了撞网降落。最后，通过实际的飞行测试，验证了相关的算法。最后，进行了小型化导航飞控系统样机设计、物理实现及飞行试验。从体系结构、功能需求、设计准则、硬件架构、软件架构等角度对小型无人机飞行控制系统集成技术进行了研究，设计了物理样机，实现了姿态、速度、航迹、起降等控制功能，并在不同布局的5种平台上进行了飞行测试，成功的实现了小型无人机的滑跑起飞、弹射起飞、开伞降落、滑跑降落、撞网降落等起降方式的全自主控制。