·122· 智能系统学报 第3卷 被控参量无精确的表达方法和被控制对象各种参数 do 之间的相互关系难以精确描述的情况.因此，本文针 dt rsin Y+gcos Y. 对一种小型实验无人机的纵向姿态控制和高度跟踪 dY p-tan s(rcos r-q sin ) (1 问题，设计了一种模糊自适应PD控制器，仿真结 果表明，其性能优于常规的PD控制器 表1无人机参数符号说明 1无人机的纵向姿态模型 Table 1 List of parameter symbols for UAV 参数名称 符号 参数名称 符号 本文中采用的小型实验无人机对象的实物如 无人机速度 滚转角速度 图1所示 D 无人机质量 俯仰角速度 发动机推力 偏航角速度 飞行阻力 D 滚转力矩 M 飞行升力 俯仰力矩 M: 侧力 偏航力矩 迎角 X轴转动惯量 侧滑角 Y轴转动惯量 图1小型实验无人机实物 俯仰角 Z轴转动惯量 Fig 1 Profile of the SUAV 偏航角 X轴距离 根据经典飞行控制理论，可建立小型无人机的 滚转角 y轴距离 Ya 12阶微分方程模型，其中包括动力学模型和运动学 模型1，如式(1)所示.其中，各符号与变量/参数的 航迹角 Z轴距离 Z 对应关系见表1 航迹偏转角 翼展 b mos)csBD.mgsin 速度滚转角 方 机翼面积 my do 升降舵 动压 =T[cos(a+中sin Bsin+ 副翼舵 6 平均气动弦长 sin (a+r)cos Y1+Lcos Y- Zsin⅓-mgcos8, 利用水平无侧滑飞行条件Y=B司和p=r= ~mVcos od边 0,将飞机运动方程解耦为不依赖于横侧向状态量 dt TI-cos(a+r)sin os (B,Y,p,r,吻的纵向运动方程： sin(a+r)sin ]Lsin Zcos ml Tcos a-D-mgsin 0. d=Vcos0cos攻， mVo Tsin a +L-mgcos 0. d 2) a=q-0, dya =y sin 0. dr I:g =M:. 式中：T、D、L及M:分别为发动机推力、气流阻力、 =-Vcos0sin克， dt 升力及绕俯仰轴力矩，这些参量的确定需要根据飞 机当前的飞行状态实时地确定，在此以飞机某一平 1,=M-(h.-gr di 衡状态为基准运动，小扰动情况下假设这些力和力 b出=Mhpg 矩为相应量的线性关系， 若将无人机的定常直线无侧滑飞行作为基准运 品=Mdpr 动，在小扰动假设下就可得到无人机的纵向近似模 型为 sn 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net被控参量无精确的表达方法和被控制对象各种参数 之间的相互关系难以精确描述的情况. 因此 ,本文针 对一种小型实验无人机的纵向姿态控制和高度跟踪 问题 ,设计了一种模糊自适应 PID 控制器 ,仿真结 果表明 ,其性能优于常规的 PID 控制器. 1 无人机的纵向姿态模型 本文中采用的小型实验无人机对象的实物如 图 1 所示. 图 1 小型实验无人机实物 Fig11 Profile of the SUAV 根据经典飞行控制理论 ,可建立小型无人机的 12 阶微分方程模型 ,其中包括动力学模型和运动学 模型[ 3 ] ,如式 (1) 所示. 其中 ,各符号与变量/ 参数的 对应关系见表 1. m dV dt = Tcos(α+φT ) cosβ- D - mg sinθ, mV dθ dt = T[cos (α+φT ) sinβsinγs + sin (α+φT ) cosγs ] + Lcosγs - Zsinγs - mgcosθ, - mV cosθdψs dt = T[ - cos(α+φT ) sinβcosγs + sin (α+φT ) sinγs ] + L sinγs + Zcosγs , d x d dt = V co sθcosψs , d y d dt = V sinθ, dz d dt = - V cosθsinψs , I x d p dt = Mx - ( Iz - I y ) q ·r, I y d r dt = My - ( I x - Iz ) p ·q , Iz dq dt = Mz - ( I y - I x ) p ·r, dψ dt = 1 cos ; ( rcosγ- qsinγ) , d; dt = rsinγ+ q cosγ, dγ dt = p - tan ; ( rcosγ- q sinγ) . (1) 表 1 无人机参数符号说明 Table 1 List of parameter symbols for UAV 参数名称 符号 参数名称 符号 无人机速度 V 滚转角速度 p 无人机质量 m 俯仰角速度 q 发动机推力 T 偏航角速度 r 飞行阻力 D 滚转力矩 Mx 飞行升力 L 俯仰力矩 Mz 侧力 Z 偏航力矩 My 迎角 α X 轴转动惯量 I x 侧滑角 β Y 轴转动惯量 I y 俯仰角 ; Z 轴转动惯量 Iz 偏航角 ψ X 轴距离 X d 滚转角 γ Y 轴距离 Y d 航迹角 θ Z 轴距离 Zd 航迹偏转角 ψs 翼展 b 速度滚转角 γs 机翼面积 S 升降舵 δe 动压 …q 副翼舵 δa 平均气动弦长 €c 利用水平无侧滑飞行条件γ=β≡0 和 p = r ≡ 0 ,将飞机运动方程解耦为不依赖于横侧向状态量 (β,γ, p , r,ψ) 的纵向运动方程 : mVÛ= Tcosα- D - mg sinθ, mVθÛ= Tsinα+ L - mgcosθ, αÛ= q - θÛ, IzÛq = Mz . (2) 式中 : T、D、L 及 M z 分别为发动机推力、气流阻力、 升力及绕俯仰轴力矩 ,这些参量的确定需要根据飞 机当前的飞行状态实时地确定 ,在此以飞机某一平 衡状态为基准运动 ,小扰动情况下假设这些力和力 矩为相应量的线性关系. 若将无人机的定常直线无侧滑飞行作为基准运 动 ,在小扰动假设下就可得到无人机的纵向近似模 型为 · 221 · 智 能 系 统 学 报 第 3 卷