固定翼无人机控高控速方案分析

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由于飞行器的高度和速度的变化伴随着能量的转化——动能和重力势能的相互转化，所以一个指标变化也伴随着另个指标的变换，例如升高高度时动能会转变为重力势能，速度将会降低，这时候需要及时加速，否则固定翼飞机有失速的危险。

固定翼飞机的高度和空速控制方案有两种，第一种是，俯仰控高、油门控速，其控制流程如图1所示；第二种是油门控高、俯仰控速，其控制流程如图2所示。

图1 俯仰控高、油门控速方案

第一种比较直观，顾名思义，升降舵控制高度，油门舵控制速度；升降舵舵面上抬，产生抬头力矩，飞行器俯仰角增大，飞行器高度提升；反之，升降舵推杆，产生低头力矩，飞行器俯仰角变小，飞行器高度降低。油门增大空速增大，油门减小空速减小也比较直观。

这样的控制方案的优点就是比较容易理解，算法实现也就比较直观，同时，系统响应也会比较快，但是它比较适用于剩余动力比较多的飞行器，因为如果剩余动力不多，也就是飞行器推重比比较小，容易造成动能转换成重力势能后油门不能及时增大速度，速度过低而失速造成危险；在降低高度时，直接推升降舵造成让机头下扎的同时还会积累更多的速度，这也是一种比较危险的飞行姿态。当发动机熄火或者电池动力不足的时候，无法提供正常飞行的动力，那么自然会造成高度下降，这个时候控制系统将会不停拉升降舵让飞机提升高度，但是油门没办法提供拉力增大速度，这个时候将会造成空速不够而失速转而进入一种更加危险的飞行状态——尾旋，也就是飞行器完全失控坠毁。

图 2油门控高、俯仰控速方案

相比较之下，第二种控制方案相对于第一种不便于理解，实际上这种控制方式是利用了重力势能和动能的转化原理间接控制，当飞行器飞行速度高于设定空速，由于俯仰控速，这个时候需要拉升降舵拉提高飞行高度将动能转换为重力势能，飞行器飞行速度将会下降；反之，当飞行器速度低于设定空速，飞行器将会降低飞行高度将重力势能转换为动能。当飞行器飞行高度低于设定高度，由于油门控高，飞行器首先会加大油门，当空速高于设定空速之后需要降低速度，由于俯仰控速，自然会拉升降舵来将动能转换为重力势能，从而提高飞行高度；反之，当飞行器飞行高度高于设定高度，那么飞行器将会减小油门，当速度降低之后由于俯仰控速，飞行器将推升降舵来将重力势能转换为动能来积累速度，从而实现了降低高度。

这种控制方案的缺点显而易见，理解起来没有第一种直观，算法实现也会比较繁琐，而且由于是间接控制速度和高度，所以控制会比较迟缓，不如第一种系统响应快；但是它的好处也是显而易见的，相对于第一种方案它比较安全。固定翼飞行器飞行的一个重要指标就是空速，空速在安全空速以上是安全飞行的前提，速度过低无法提供足够的升力而失速飞行。设想如果发动机熄火或者动力电池电量不足，那么空速将会降低，俯仰控速，飞行器将会推升降舵来积累速度，牺牲高度来保证飞行器的飞行空速，当高度降低时控制器会通过增大油门来提升高度，而油门没有办法提供动力，速度不够时控制器不会拉升降舵，那么飞行器将会一直降低高度，也就是无动力滑翔，而不会出现尾旋的危险动作；在正常降落过程中，飞行器需要降低高度，油门控高，飞行器将会先减小油门，减小空速，进而再控制升降舵降低高度来获得空速，然后飞行器将会以比较安全的姿态降落，而不会出现机头下扎的危险姿态。