一種無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著信息化程度不斷提高，小型無(wú)人機(jī)的發(fā)展越來(lái)越受到重視，尤其是美國(guó)和以 色列的小型無(wú)人機(jī)技術(shù)最為成熟完善。對(duì)于小型無(wú)人機(jī)而言，在保證性能要求的前提下，突 出其優(yōu)點(diǎn)，降低飛機(jī)的復(fù)雜性、降低成本、提高可靠性與維護(hù)性，是使用的要求，也是其在同 類(lèi)型無(wú)人機(jī)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的決定性因素。因此，無(wú)副翼、電動(dòng)推進(jìn)成為小型無(wú)人機(jī)廣泛采用的 設(shè)計(jì)方案。這種無(wú)副翼無(wú)人機(jī)大體結(jié)構(gòu)與常規(guī)無(wú)人機(jī)很類(lèi)似，最主要的差別是沒(méi)有副翼，而 針對(duì)此類(lèi)無(wú)人機(jī)的自主飛行控制方法的研究是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)此類(lèi)無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)。
[0003] 無(wú)人飛行器在空中執(zhí)行飛行任務(wù)，其飛行航跡是由一系列帶有順序編號(hào)的航路點(diǎn) 組成的，航路點(diǎn)主要包含了經(jīng)煒度、高度、飛行速度等信息，主要作用為引導(dǎo)無(wú)人飛行器沿 固定軌跡飛行，航路點(diǎn)可簡(jiǎn)稱(chēng)為航點(diǎn)。航路點(diǎn)通常是飛行前設(shè)計(jì)好，上傳到無(wú)人飛行器自駕 儀里，也可以實(shí)時(shí)在線更改，飛行前設(shè)計(jì)好的航路點(diǎn)稱(chēng)為預(yù)設(shè)航路點(diǎn)或預(yù)設(shè)航點(diǎn)，兩個(gè)相鄰 編號(hào)的預(yù)設(shè)航路點(diǎn)之間連線的軌跡稱(chēng)為預(yù)設(shè)航跡，在實(shí)時(shí)飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)被控制系統(tǒng) 指引希望到達(dá)而暫未到達(dá)的航路點(diǎn)稱(chēng)為當(dāng)前的目標(biāo)航路點(diǎn)或目標(biāo)航點(diǎn)。無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置垂 直于預(yù)設(shè)航跡的直線距離稱(chēng)為側(cè)向航跡偏差。無(wú)人機(jī)到達(dá)目標(biāo)航路點(diǎn)附近以后，控制系統(tǒng) 將按照一定的控制邏輯對(duì)目標(biāo)航路點(diǎn)進(jìn)行操作，將目標(biāo)航路點(diǎn)切換為下一編號(hào)或指定編號(hào) 的航路點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，提出了一種無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制方法。 其是一種采用方向舵代替副翼進(jìn)行自主飛行控制的方法。由制導(dǎo)算法解算出目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角再 映射到方向舵通道上，通過(guò)方向舵的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航操縱力矩，改變飛行器的偏航角，從而實(shí) 現(xiàn)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的橫航向控制；同時(shí)升降舵根據(jù)當(dāng)前方向舵偏角補(bǔ)償無(wú)人飛行器滾轉(zhuǎn)角姿 態(tài)變化過(guò)程中的升力損失，可以有效實(shí)現(xiàn)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎、航跡跟蹤控制。該方法 能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的橫航向姿態(tài)控制和航跡跟蹤，具有實(shí)用性。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制方法，無(wú)副翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，傳感器獲取 無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的位置姿態(tài)信息，無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的自駕儀根據(jù)傳感器獲取的位置姿態(tài)信息進(jìn) 行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令給無(wú)副翼無(wú)人機(jī)，對(duì)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所述控制 指令包括方向舵指令和升降舵指令。
[0007] 所述方向舵指令的計(jì)算方法為，
[0008] S1:讀取無(wú)副翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置坐標(biāo)與無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的自駕儀中預(yù)設(shè)的當(dāng)前目 標(biāo)航路點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)兩者的坐標(biāo)，計(jì)算地面坐標(biāo)系下的目標(biāo)航向角，目標(biāo)航向角減去當(dāng)前的 無(wú)人機(jī)航向角，得到航向角偏轉(zhuǎn)指令。
[0009] S2:根據(jù)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置坐標(biāo)和無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的自駕儀中預(yù)設(shè)的當(dāng)前目 標(biāo)航路點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算無(wú)人機(jī)相對(duì)于預(yù)設(shè)航跡的側(cè)向航跡偏差，航跡偏差乘以一定的增益系 數(shù)，得到航向角修正指令。
[0010] S3:航向角偏轉(zhuǎn)指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令。
[0011] S4:航向角控制指令通過(guò)PID解算，得到目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角指令。
[0012] S5:目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角指令與當(dāng)前滾轉(zhuǎn)角做差，得到滾轉(zhuǎn)角偏差，滾轉(zhuǎn)角偏差經(jīng)過(guò)比例積 分微分運(yùn)算，得到副翼控制指令。
[0013] S6:副翼控制指令乘以前饋系數(shù)kfl得到方向舵指令。
[0014] 所述升降舵指令的計(jì)算方法為：
[0015] (1)由當(dāng)前高度和目標(biāo)高度做差，通過(guò)PID算法，生成俯仰角指令。
[0016] (2)由俯仰角指令與當(dāng)前俯仰角做差，通過(guò)PID算法，生成升降舵控制指令。
[0017] ⑶方向舵指令乘以前饋系數(shù)kf2得到升降舵補(bǔ)償指令。
[0018] (4)升降舵補(bǔ)償指令加升降舵控制指令，得到升降舵最終指令。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0020] 本發(fā)明通過(guò)PID算法生成目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角，目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角指令再通過(guò)PID算法解算出方向 舵指令，通過(guò)方向舵的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏航力矩，改變飛行器的偏航角，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的 橫航向控制。
[0021 ]本發(fā)明根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前的俯仰角，通過(guò)PID算法解算，同時(shí)將方向舵指令乘以一定 的前饋系數(shù)相加，生成升降舵指令，補(bǔ)償因方向舵偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾轉(zhuǎn)角變化造成的升力損失，可 以實(shí)現(xiàn)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。
[0022]小型無(wú)副翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單兵攜帶性能好，適合近距離偵查打擊任務(wù)，本發(fā)明 填補(bǔ)了這一方面的空白，具有實(shí)用性;本發(fā)明提出的控制方法采用的是經(jīng)典控制理論中的 PID算法，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，可靠性高，控制效果好的特點(diǎn);本發(fā)明提出的控制方法對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī) 載傳感器數(shù)量要求低，僅需要一些基本的傳感器，能夠有效減輕無(wú)人飛行器機(jī)體重量，降低 生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】：
[0023] 圖1為無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)框圖。
[0024] 圖中，地面站為Getac軍用筆記本電腦，內(nèi)置了自主研發(fā)的飛行、載荷控制程序，通 過(guò)電腦串口向外發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)人機(jī)上搭載的900M帶寬的通信電臺(tái)進(jìn)行交 互；電臺(tái)收到的地面站控制指令會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)阶择{儀中，同時(shí)自駕儀也會(huì)將收集到的傳感 器信息通過(guò)電臺(tái)發(fā)回到地面站電腦。
【具體實(shí)施方式】：
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0026] 參照?qǐng)D1，為無(wú)副翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)框圖。無(wú)副翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中， 傳感器獲取無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的位置姿態(tài)信息，自駕儀根據(jù)傳感器獲取的位置姿態(tài)信息進(jìn)行處 理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令給無(wú)副翼無(wú)人機(jī)，對(duì)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所述控制指令 包括方向舵指令和升降舵指令。本發(fā)明主要包括兩部分，第一部分為方向舵指令計(jì)算，第二 部分為升降舵指令計(jì)算。
[0027] 所述方向舵指令的計(jì)算方法為：
[0028] (1)讀取無(wú)副翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置坐標(biāo)與無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的自駕儀中預(yù)設(shè)的當(dāng)前目 標(biāo)航路點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)兩者的坐標(biāo)，計(jì)算地面坐標(biāo)系下的目標(biāo)航向角，目標(biāo)航向角減去當(dāng)前的 無(wú)人機(jī)航向角，得到航向角偏轉(zhuǎn)指令Yawl。
[0029]
[0030] Heading = atan2( Δ X，Δ y)
[0031] Yawl =Heading-heading
[0032] 其中，Xe3和ye3是無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置在地面坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)，x4Pya是當(dāng)前目標(biāo)航 路點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，Heading是目標(biāo)航向角，heading為傳感器測(cè)出的無(wú)人機(jī)航向角。
[0033] (2)根據(jù)無(wú)副翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置坐標(biāo)和無(wú)副翼無(wú)人機(jī)的自駕儀中預(yù)設(shè)的當(dāng)前目 標(biāo)航路點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算無(wú)人機(jī)相對(duì)于預(yù)設(shè)航跡的側(cè)向航跡偏差d，航跡偏差d乘以一定的增益 系數(shù)，得到航向角修正指令Yaw2。
[0034]
[003