基于分级PID的无人机全电刹车控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32760

材料工程与机械制造

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基于分级PID的无人机全电刹车控制方法

赵国栋¹^,², 尹乔之¹^,²^,³(), 张颂旸¹^,², 魏小辉¹^,²^,⁴, 聂宏¹^,²^,³

^1.南京航空航天大学航空学院，南京 210016
^2.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京 210016
^3.南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016
^4.南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，南京 210016

收稿日期:2025-09-05 修回日期:2025-10-27 接受日期:2025-11-18 出版日期:2025-12-09 发布日期:2025-12-08
通讯作者: 尹乔之 E-mail:yinqiaozhi@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52375102);国家自然科学基金(U2570210);国家自然科学基金(52275114);江苏省基础研究计划(BK20250181);中央高校基本科研业务费专项资金(NN2025005);中央高校基本科研业务费专项资金(NJ2024003);江苏高校优势学科建设工程

All-electric braking control method for UAVs based on hierarchical PID

Guodong ZHAO¹^,², Qiaozhi YIN¹^,²^,³(), Songyang ZHANG¹^,², Xiaohui WEI¹^,²^,⁴, Hong NIE¹^,²^,³

^1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Advanced Design Technology of Flight Vehicle，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^3.National Key Laboratory of Helicopter Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^4.State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-09-05 Revised:2025-10-27 Accepted:2025-11-18 Online:2025-12-09 Published:2025-12-08
Contact: Qiaozhi YIN E-mail:yinqiaozhi@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52375102);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20250181);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(NN2025005);the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

摘要/Abstract

摘要：

针对无人机全电刹车系统的强非线性、多耦合性以及参数时变等特点，提出一种基于分级PID控制的全电无人机刹车控制策略，根据滑移率的大小对控制参数进行分段，旨在提高飞机刹车过程中的减速率。首先，在Simulink中建立飞机地面滑跑动力学模型、机轮动力学模型、轮胎-跑道摩擦模型以及全电作动器模型，另外针对刹车盘摩擦系数随刹车盘温度、刹车压力等因素实时变化的特性，构建基于遗传算法优化BP神经网络的摩擦系数预测模型，进而设计了一套包含基准刹车、动态调整刹车和防滑刹车的分级PID控制系统。通过仿真分析，对比了PD+PBM控制和分级PID控制的控制效果，并对分级PID控制策略开展了地面惯性台试验验证。结果表明，提出的分级PID方法控制效果更优，仿真与试验结果误差在11%以内，验证了仿真模型的正确性及控制方案的有效性。分级PID控制器控制效果良好，飞机在不同工况下都能获得较高的减速率，即使在湿跑道湿态刹车盘这种最极端恶劣的工况下，仿真和试验时飞机的平均减速率也均能达到2 m/s²以上，两者误差在5.58%以内。

关键词: 高速无人机, 全电刹车, 摩擦系数预测, 分级PID控制, 刹车惯性台试验

Abstract:

To address the strong nonlinearity， high coupling， and time-varying parameters of Unmanned Aerial Vehicle （UAV） all-electric braking systems， this paper proposes a hierarchical PID control strategy. The control parameters are adjusted in different stages according to the slip ratio to improve the aircraft’s deceleration performance. First， models of aircraft ground taxiing dynamics， wheel dynamics， tire-runway friction， and all-electric actuators were developed in Simulink. Furthermore， a predictive model for the brake disc friction coefficient is established using a Genetic Algorithm （GA）-optimized BP neural network， accounting for its real-time variations with temperature and braking pressure. A hierarchical PID control system comprising baseline braking， dynamic adjustment braking， and anti-skid braking is then designed. Through simulation analysis， a comparative study was conducted on the control performance of PD+PBM control and hierarchical PID control. Experimental verification of the hierarchical PID control strategy is also carried out on a ground inertia test bench. The results demonstrate that the proposed hierarchical PID method achieves superior control performance. The error between simulation and experimental results is within 11%， validating both the correctness of the simulation model and the effectiveness of the control strategy. The hierarchical PID controller exhibits satisfactory performance， enabling the aircraft to attain high deceleration rates under various operating conditions. Even under the most extreme and adverse condition-a wet runway with wet brake disks-the average deceleration rate of the aircraft in both simulation and experiments exceeds 2 m/s²， with an error between them within 5.58%.

Key words: high-speed UAV, all-electric braking, friction coefficient prediction, hierarchical PID control, brake inertia bench

中图分类号:

V223

赵国栋, 尹乔之, 张颂旸, 魏小辉, 聂宏. 基于分级PID的无人机全电刹车控制方法[J]. 航空学报, 2026, 47(11): 432760.

Guodong ZHAO, Qiaozhi YIN, Songyang ZHANG, Xiaohui WEI, Hong NIE. All-electric braking control method for UAVs based on hierarchical PID[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(11): 432760.

图/表 22

图 1

图 2

表1

典型道面参数

道面状态	$τ 1$	$τ 2$	$τ 3$
干道面	0.8	1.534 4	14.032 6
湿道面	0.4	2.019 2	8.209 8

表1

图 3

图 4

图 5

表2

图 6

图 7

图 8

图 9

表3

部分关键仿真参数值

参数	数值	参数	数值
$g / (m ⋅ s - 2)$	9.8	$T S$	0.001 7
$M / k g$	3 500	$K S$	40
$V p 0 / (m ⋅ s - 1)$	78	$T e$	0.076
$R r / m$	0.2	$T m$	0.161
$J / (k g ⋅ m 2)$	0.4	$C e$	0.132
$K b d$	0.66	$C m$	1.261
$ρ / (k g ⋅ m 3)$	1.225	$c b / (N ⋅ m - 1)$	700 000
$R a / Ω$	0.5	$L s p / m$	0.004

表3

图 10

表4

地面惯性台试验时部分关键参数

部分关键参数	数值
惯量轮半径/ $m$	0.7
惯量轮惯量/ $(k g ⋅ m 2)$	680
惯量轮断电时的线速度/ $(k m ⋅ h - 1)$	280
干道面机轮径向加载载荷/ $N$	14 400
湿道面机轮径向加载载荷/ $N$	7 200

表4

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

表5

参考文献 24

[1]	李佳康，朱坤，房务官. 高速飞行器刹车系统关键技术分析［J］. 空天技术， 2024（1）： 17-22.
	LI J K， ZHU K， FANG W G. Key technologies of high speed aircraft braking system［J］. Aerospace Technology， 2024（1）： 17-22 （in Chinese）.
[2]	D’AVICO L， TANELLI M， SAVARESI S， et al. A deceleration-based algorithm for anti-skid control of aircraft ［J］. IFAC-PapersOnLine， 2017， 50（1）： 14168-14173.
[3]	焦宗夏，白宁，刘晓超，等. 飞机防滑刹车控制技术研究综述［J］. 航空学报， 2022， 43（10）： 527384.
	JIAO Z X， BAI N， LIU X C， et al. Aircraft anti-skid braking control technology： A review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（10）： 527384 （in Chinese）.
[4]	谢彦，苏静，王红玲，等. 飞机全电刹车系统的发展与关键技术研究［J］. 航空工程进展， 2019， 10（6）： 846-853.
	XIE Y， SU J， WANG H L， et al. Development and key technologies of aircraft electric braking system［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2019， 10（6）： 846-853 （in Chinese）.
[5]	BAI N， LIU X C， LI J， et al. An aircraft brake control algorithm with torque compensation based on RBF neural network ［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2024， 37（1）： 438-450.
[6]	邢晓斌，韩亚国，郭琪. 飞机防滑刹车系统发展研究［J］. 航空精密制造技术， 2022， 58（2）： 27-30， 34.
	XING X B， HAN Y G， GUO Q. Research on development of anti-skid braking system for aircraft［J］. Aviation Precision Manufacturing Technology， 2022， 58（2）： 27-30， 34 （in Chinese）.
[7]	WANG Z Z， LIU X C， SUN D， et al. A real-time maximum tire-road friction tracking control method for aircraft braking system with disturbance compensation［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2024， 29（5）： 3649-3660.
[8]	李嫒敏，董智超，肖继平，等. 减速率式多参量防滑刹车控制方法研究［C］∥第六届中国航空科学技术大会. 2023： 6.
	LI A M， DONG Z C， XIAO J P， et al. Research on control method of multi-parameter anti-skid brake with reduced speed［C］∥The 6th China Aeronautical Science and Technology Conference （CASTC 2023）. 2023： 6 （in Chinese）.
[9]	WEI X H， YIN Q Z， NIE H. Aircraft electric anti-skid braking system based on fuzzy-PID controller with parameter self-adjustment feature［J］. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2014， 31（1）： 111-118.
[10]	LIANG X L， XU F R， CHEN M Q， et al. Design of an NSMCR based controller for all-electric aircraft anti-skid braking system ［J］. Mathematics， 2022， 10（10）： 1715.
[11]	田广来，谢利理，岳开宪，等. 飞机防滑刹车系统的最佳滑移率式控制方法研究［J］. 航空学报， 2005， 26（4）： 461-464.
	TIAN G L， XIE L L， YUE K X， et al. Study on optimal control method of an aircraft anti-skid braking system based on slip-ratio［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2005， 26（4）： 461-464 （in Chinese）.
[12]	张智慧，李玉忍，梁波. 飞机刹车系统最佳滑移率性能研究［J］. 计算机仿真， 2014， 31（10）： 48-51， 85.
	ZHANG Z H， LI Y R， LIANG B. Research on optimum slip ratio characteristic of aircraft braking systems［J］. Computer Simulation， 2014， 31（10）： 48-51， 85 （in Chinese）.
[13]	刘文胜，王霞，马运柱，等. 基于无味卡尔曼滤波的飞机防滑刹车模糊神经网络控制［J］. 航空精密制造技术， 2017， 53（2）： 25-31.
	LIU W S， WANG X， MA Y Z， et al. A fuzzy neural network control of anti-skid braking system based on unscented Kalman filter （UKF）［J］. Aviation Precision Manufacturing Technology， 2017， 53（2）： 25-31 （in Chinese）.
[14]	SUN D， JIAO Z X， WU S， et al. High-efficiency aircraft antiskid brake control algorithm via runway condition identification based on an on-off valve array［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（11）： 2538-2556.
[15]	杨建忠，王浩天，陈希远. 飞机防滑刹车系统模糊滑模控制研究［J］. 计算机仿真， 2022， 39（7）： 74-80.
	YANG J Z， WANG H T， CHEN X Y. Research on fuzzy sliding mode control of aircraft antiskid brake system［J］. Computer Simulation， 2022， 39（7）： 74-80 （in Chinese）.
[16]	付龙飞. 飞机防滑刹车系统的非线性控制技术应用研究［D］. 西安：西北工业大学， 2017.
	FU L F. Research on the application of nonlinear control technology for aircraft anti-skid braking system［D］. Xi’ an： Northwestern Polytechnical University， 2017 （in Chinese）.
[17]	LOPETEGUI J J M， PAPA G， MORANDINI M， et al. Data-driven modeling and regulation of aircraft brakes degradation via antiskid controllers ［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2022， 72（3）： 889-899.
[18]	梁雪林. 多种约束条件下的飞机全电刹车系统控制器研究［D］. 长沙：中南大学， 2023.
	LIANG X L. Research on the controller of aircraft all-electric brake system with multiple constraints［D］. Changsha：Central South University， 2023 （in Chinese）.
[19]	尹乔之. 无人机低频刹车与地面滑跑稳定性研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018.
	YIN Q Z. Research on unmanned aerial vehicle low-frequency braking and ground taxiing stability［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018 （in Chinese）.
[20]	李玉忍，张宏宇，田梁波，等. 无人机全电刹车系统级联快速终端滑模控制［J］. 西北工业大学学报， 2023， 41（1）： 11-17.
	LI Y R， ZHANG H Y， TIAN L B， et al. Cascaded fast terminal sliding mode control for UAV electric braking system［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2023， 41（1）： 11-17 （in Chinese）.
[21]	刘泽华，谢彦. 基于变摩擦系数的飞机刹车系统仿真研究［J］. 航空科学技术， 2015， 26（4）： 33-38.
	LIU Z H， XIE Y. Simulating research of aircraft braking system based on friction coefficient changing［J］. Aeronautical Science & Technology， 2015， 26（4）： 33-38 （in Chinese）.
[22]	HUTTON T. The friction and wear of carbon-carbon composites for aircraft brakes ［M］. Bath： University of Bath， 1996.
[23]	雷宝灵，易茂中，徐惠娟. C/C复合材料飞机刹车盘的三维温度场［J］. 复合材料学报， 2009， 26（1）： 113-117.
	LEI B L， YI M Z， XU H J. 3-D temperature field for C/C composite braking discs［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2009， 26（1）： 113-117 （in Chinese）.
[24]	MENG Q T， SHEN H M， LI B C， et al. Full-scale simulation and experimental study of heat transfer in landing gear brake discs for medium-sized passenger aircraft ［J］. Applied Sciences， 2025， 15（6）： 3023.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
种群规模	20
种群最大繁衍代数	50
选择方式	轮盘赌法
交叉概率	0.4
变异概率	0.05

工况		平均刹车量	刹车距离/m	刹车时间/s	平均减速率/（m·s^-2）
干跑道干态刹车盘	仿真	141.12	739.50	18.97	4.10
	试验	137.24	741.60	19.02	4.09
	误差	2.75%	0.28%	0.26%	0.24%
干跑道湿态刹车盘	仿真	141.93	973.60	22.49	3.45
	试验	168.60	1 046.91	24.88	3.13
	误差	18.79%	7.53%	10.6%	9.28%
湿跑道干态刹车盘	仿真	80.30	1 300.00	33.21	2.34
	试验	81.51	1 355.13	34.39	2.26
	误差	1.5%	4.24%	3.55%	3.42%
湿跑道湿态刹车盘	仿真	86.71	1 519.95	36.06	2.15
	试验	111.76	1 587.21	38.40	2.03
	误差	28.89%	4.43%	6.49%	5.58%

基于分级PID的无人机全电刹车控制方法

All-electric braking control method for UAVs based on hierarchical PID

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[1]	阎芳, 向晨阳, 董磊, 王鹏. DIMA架构下飞机全电刹车系统故障传播行为分析与评估[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 324674-324674.
[2]	相里康, 马瑞卿. 飞机全电刹车机电作动系统上电自检测[J]. 航空学报, 2016, 37(12): 3832-3842.