[发明专利]一种基于侧向导引的抗侧风着陆航迹跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行控制技术领域，涉及侧风条件下的航迹跟踪控制技 术，特别涉及着陆过程中在侧向阵风、侧向紊流、侧向分切变条件下的侧 向航迹跟踪自动驾驶控制技术。

背景技术

自主着陆技术是飞机自动驾驶目前最为薄弱的技术环节之一，很多飞 行事故出现在着陆阶段。恶劣天气是导致着陆飞行事故的重要原因，其中 侧风对飞机的着陆产生很大的影响，甚至侧风过大时，飞机是无法进行着 陆的。在进场着陆时遇到侧风，如果不加修正，飞机的航迹将偏离飞机的 对称面，产生偏流，使飞机随侧风一起向侧方移动。侧风越大，产生的偏 流、侧移就越大。若不及时有效地修正侧风带来的影响，飞机一般就很难 对正跑道接地。侧风较大时，飞机将会落在场外。

自动着陆过程如图1所示，可以分为：进场飞行、轨迹捕获、直线下 滑、拉平、刹车滑跑。进场着陆飞行为着陆做准备，将飞机的空中飞行构 型转变为着陆构型(起落架放下)，完成地速与跑道方向的初对准，一般为 平直飞行。轨迹捕获阶段中飞机将当前飞行状态过渡到沿下滑线下降，采 用“撞延长线”的方式穿越轨迹剖面后再切入进去，跟踪轨迹剖面。直线 下滑段采用高度控制和侧向航迹控制，保持延3度的下滑线下滑。拉平段 采用指数或圆弧轨迹方式，保证高度速率在-0.5m/s左右，同时进行侧向 轨迹控制，如在侧风中飞行接地前需进行改偏航机动或滚转改出，保证着 地时的速度、位置、迎角、偏航角、滚转角都在安全范围之内。触地之后 进行俯仰角改平、刹车减速、跑道侧向纠偏控制。

要实现飞机的理想着陆，需要满足以下几点：

(1)地速与跑道中心线方向一致，即航迹方位角为0(取地面坐标系 X轴与跑道方向一致)。

(2)机体轴与跑道中心线方向一致，即偏航角为0。

(3)机翼处于水平位置，即飞机滚转角为0，以避免大翼展飞机翼尖 触地。

(4)飞机对于跑道中心线的侧偏为零

飞机抗侧风侧向航迹跟踪控制目前主要的方法是侧航法和侧滑法。侧 航法的设计思想是：操纵机身朝侧风方向转动一偏航角，以保证地速方向 与跑道中心线保持一致。它是一种侧风作用下无侧滑的着陆形式。

侧滑法的设计思想是：当有侧风作用时，飞控系统保证机头和地速方 向同跑道中心线保持一致，同时飞机逆侧风方向滚转一定的角度，以抵消 侧风的等效侧滑角引起的侧力。此外，副翼舵和方向舵均偏转一定的角度 以保证力矩的平衡。它是一种侧风作用下带侧滑飞行的着陆方式。这两种 方法都是根据风速信息，直接控制飞机的姿态以消除侧风影响，都属于半 闭环控制。

实际上着陆过程中风速可能变化很大，这种基于半闭环的控制方法无 法满足飞机精密航迹跟踪和理想着陆的要求。

发明内容

为满足在侧风条件下飞机着陆过程中的精密航迹跟踪和理想着陆的 要求，本发明的目的是提供一种侧向导引的方法，它用地速作为导引律设 计参量。由于地速已经包含了侧风对于飞机侧向偏差的作用，因此这种导 引律可以自动实现对侧风的抑制。侧向航迹跟踪控制系统内环为滚转角控 制，外环为侧向跟踪导引律。并且设计了基于侧向导引航迹跟踪的航线自 动切换逻辑，以便于飞机进场飞行。采用这些方法提高飞机在侧风环境下 的侧向跟踪能力，增强飞机在复杂天气环境下的着陆能力。

为实现上述目的，本发明提供的抗侧风着陆航迹跟踪控制方法，包括： 侧向导引律、内环姿态控制、航线切换逻辑、飞机横侧向运动模型。其控 制步骤如下：

由航迹跟踪侧向偏差通过侧向导引律计算出内环姿态控制指令，内环 姿态控制器生成舵机控制指令对飞机的姿态进行控制，航线切换逻辑根据 飞机当前的状态计算出当前的侧向偏差，以供侧向导引律计算。飞机横侧 向运动模型用于模拟飞机的动力学与运动学模型。

由于采用地速矢量进行侧向导引，无须对风干扰进行单独考虑。因为 地速已经是侧风作用后的结果，因此这种导引律具备对风干扰天然的抑制 作用。

本发明的控制方法中，侧向导引律包括：在期望航迹上取参考点，使 无人机当前位置与参考点之间的距离为固定值。根据飞机地速矢量与虚拟 误差矢量的夹角设计侧向加速度指令。