1.2.3 地面综合控制技术研究现状

着陆滑跑段是飞机着陆的最后阶段，也是受力最为复杂的阶段。在飞机拉平接地后，飞机进入地面滑跑。在此过程中，受跑道长度、宽度的限制以及外界环境因素的影响，飞机因控制困难容易发生冲出跑道、擦尾、爆胎、侧翻等飞行事故。保证飞机在恶劣环境条件下实现平稳快速的减速制动和沿跑道中心线滑跑，是航空业界一直以来追求的目标。为实现飞机地面运动的安全与稳定，需要开展滑跑动力学建模和地面综合控制研究。

着陆滑跑段的受力分析和精确建模是开展地面综合控制的基础，同时也是急需解决的技术难点。早在1937年，美国学者Michael. F在分析无人机的地面运动特性时，将飞机的起落架系统简化成一个线性的弹簧阻尼系统，虽然等效的系统能够反映飞机在地面运动时的动态特性，但却忽略了起落架缓冲器的摩擦力。1970年，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）对波音B747客机建立了地面动力学模型，并将其用于开发飞行模拟器。1985年，A G Barnes等人为了研究固定翼飞机在地面上的操纵特性和相关品质，建立了飞机地面运动的六自由度模型，但该模型未充分考虑飞机轮胎、起落架和机体之间的相互耦合关系，无法真实模拟出飞机的地面运动特性。1994年，德国的St.Germann和M.Wurtenberger对地面与飞机轮胎之间的摩擦作用进行研究，极大地提高了轮胎所受摩擦力的精确性；W.S.Pi在考虑起落架和飞机机体相互作用的基础上，对多架不同类型飞机的起落架进行建模，但是对滑跑六自由度模型进行简化，忽略了角运动，只建立了四自由度模型。2001年，南京航空航天大学民航学院的顾宏斌建立包括前轮操纵系统在内的地面六自由度数学模型，但是未考虑停机角对受力的影响。2003年，Canudas-de-Wit根据实验室得到的数据，采用偏微分方程将飞机地面运动的动力学特性进行数学表达，建立了摩擦力模型，该模型能够反映飞机轮胎在制动和加速运动时摩擦力的变化。2004年，清华大学的段松云对无人机起飞和着陆的动力学特性进行研究，建立了三轮接地的数学模型、主轮离地后爬升的数学模型、从进近到主轮接地和三轮接地滑跑直至完全停下的数学模型，但是他在建模过程中使用了大量假设条件，并且没有给出飞机地面运动的仿真曲线，对建模是否正确没有进行验证。2011年，西北工业大学航天学院的王鹏等人根据飞机地面运动的受力情况，建立飞机滑跑段的全量非线性模型，将起落架视为刚体，通过受力平衡条件对飞机的支持力进行求解，该方法便于建立模型，但是忽略了起落架缓冲器受力等情况。2017年，南京航空航天大学的李洁玉也从飞机地面运动的受力情况出发，根据平衡状态方程求解支持力，建立飞机的滑跑动力学模型，但是他只考虑了三轮滑跑情况，忽略了飞机横侧向和纵向的姿态变化。在2018年，西安爱生技术集团公司飞机设计研究室的张琳等人用一个弹簧阻尼系统代替起落架的机械特性，建立了滑跑起飞验证平台，对飞机从滑跑、离地爬升到安全高度的过程进行仿真，但是他们在该模型中未考虑侧向摩擦力的作用。南京航空航天大学的范大旭等人根据弹簧阻尼系统的压缩量和压缩速度计算飞机轮胎受到的支持力，但是未指明起落架刚度系数和阻尼系数的出处。飞机地面模型越复杂，控制越困难，建立既满足控制要求又能反映地面运动特性的数学模型，是急需解决的问题。

地面综合控制是实现飞机在恶劣环境中安全和稳定滑行的保证，在此方面的研究，欧美等发达国家和地区已经走在了前列。为了减轻飞行员在进近着陆段的负担，进一步满足机电综合管理的需要，国外正在大力发展公共管理系统，将前轮转向操纵系统和防滑制动系统纳入其中，其控制功能已经被综合到分系统的控制器中，并已经在民航客机上得到运用。目前，国外还在发展先进制动控制技术的相关技术，该技术将前轮起落架系统、防滑制动控制和方向舵操纵三部分进行综合，以提供一个相对完善的、自动化的地面操纵系统，该系统有望解决飞机在光滑跑道和大侧风扰动下的地面运动控制问题。例如，在高速滑跑时主要采用方向舵控制；低速滑跑时，使用前轮进行控制。空客公司以A320飞机、A340飞机、A380飞机为代表的民航客机机型，在起落架的控制上采用了电子综合控制技术，把方向舵脚蹬、手轮操纵和前轮转向操纵的联合控制以及差动制动功能都综合到一个控制器里进行控制，可以根据需要与方向舵联动，进行转弯指令的叠加等，并且对最大转角做出限制，能在综合控制的作用下确保飞机着陆安全和航向正确。1999年，美国人Abzug在综合考虑方向舵和前轮偏转对航向控制影响的基础上，对飞机地面运动的稳定性展开研究。Golghorpe等人根据研究需求，在建模时加入前轮偏转和制动模块，实现飞机在两者共同作用下的地面转弯。2009年，南京航空航天大学的陈磊对单独使用前轮转向纠偏和主轮差动制动纠偏两种方式进行飞机纠偏设计，并对比了两种纠偏控制的效果。2014年，北京航空航天大学的郝现伟等人采用纠偏控制的方法，将多输入（方向舵偏转、前轮转向、主轮差动制动）等效为单一虚拟控制舵面，进而用PID控制法设计控制参数和指令分配系数。该方法虽然对纠偏控制有一定的启发，但是指令系数分配算法过于简单且采用线性化模型，无法体现真实的滑跑纠偏过程。2015年，西北工业大学的吴成富等人采用PID设计纠偏控制器，针对不同速度设计了不同的控制律参数，然后利用模糊控制方法使飞机根据速度匹配相应的参数。该控制器能在高速和低速时同时使用，但是在多个速度点处设计参数过于烦琐。随着控制理论的发展，很多智能控制算法被用于滑跑纠偏控制。2018年，西北工业大学365研究所的高采娟使用主辅模糊控制器相结合的双重模糊控制方法，采用主轮差动制动和阻力方向舵联合纠偏。仿真结果表明，该方法有较好的控制效果。中南大学的刘正辉采用相似性双余度技术，提出了前轮和主轮综合纠偏的设计方案，并详细设计了软硬件执行方案，但是没有将方向舵进行综合。南京航空航天大学的尹乔芝对不同速度下各个纠偏子系统的纠偏权重进行优化，得出了高速段方向舵纠偏效果最佳、中速段主轮差动制动纠偏性能最佳、低速段前轮转向控制最佳的结论。2019年，北京航天无人机系统工程研究所的付国强等人在采取方向舵和前轮转向联合纠偏的基础上，将侧滑角作为反馈信号引入航向控制回路，这种方法对改善稳定性较弱的高速无人机的抗侧滑性能有明显作用。

从地面综合控制的研究现状来看，国外已经拥有相当成熟的技术，而我国在地面综合控制方面，大部分都停留在仿真理论阶段，而且大多是针对无人机展开的，对民航客机的研究还很少。目前，在我国，由飞行员分别操纵方向舵、前轮脚蹬和制动系统实现地面减速和纠偏功能。因此开展地面综合控制研究势在必行。