一种无副翼无人机自主飞行控制方法技术

本发明专利技术针对无副翼无人机的特点，提出了一种无副翼无人机自主飞行控制方法，无副翼无人机在飞行过程中，传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，无副翼无人机的自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制指令包括方向舵指令和升降舵指令。其由制导算法解算出目标滚转角再映射到方向舵通道上，通过方向舵的偏转产生偏航操纵力矩，改变飞行器的偏航角，从而实现无副翼无人机的横航向控制；同时升降舵根据当前方向舵偏角补偿无人飞行器滚转角姿态变化过程中的升力损失，可以有效实现无副翼无人机的协调转弯、航迹跟踪控制。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于无人机
，特指一种无副翼无人机自主飞行控制方法。
技术介绍
：随着信息化程度不断提高，小型无人机的发展越来越受到重视，尤其是美国和以色列的小型无人机技术最为成熟完善。对于小型无人机而言，在保证性能要求的前提下，突出其优点，降低飞机的复杂性、降低成本、提高可靠性与维护性，是使用的要求，也是其在同类型无人机竞争中取胜的决定性因素。因此，无副翼、电动推进成为小型无人机广泛采用的设计方案。这种无副翼无人机大体结构与常规无人机很类似，最主要的差别是没有副翼，而针对此类无人机的自主飞行控制方法的研究是设计、生产此类无人机的基础。无人飞行器在空中执行飞行任务，其飞行航迹是由一系列带有顺序编号的航路点组成的，航路点主要包含了经纬度、高度、飞行速度等信息，主要作用为引导无人飞行器沿固定轨迹飞行，航路点可简称为航点。航路点通常是飞行前设计好，上传到无人飞行器自驾仪里，也可以实时在线更改，飞行前设计好的航路点称为预设航路点或预设航点，两个相邻编号的预设航路点之间连线的轨迹称为预设航迹，在实时飞行过程中，无人机被控制系统指引希望到达而暂未到达的航路点称为当前的目标航路点或目标航点。无人机当前位置垂直于预设航迹的直线距离称为侧向航迹偏差。无人机到达目标航路点附近以后，控制系统将按照一定的控制逻辑对目标航路点进行操作，将目标航路点切换为下一编号或指定编号的航路点。
技术实现思路
本专利技术针对无副翼无人机的特点，提出了一种无副翼无人机自主飞行控制方法。其是一种采用方向舵代替副翼进行自主飞行控制的方法。由制导算法解算出目标滚转角再映射到方向舵通道上，通过方向舵的偏转产生偏航操纵力矩，改变飞行器的偏航角，从而实现无副翼无人机的横航向控制；同时升降舵根据当前方向舵偏角补偿无人飞行器滚转角姿态变化过程中的升力损失，可以有效实现无副翼无人机的协调转弯、航迹跟踪控制。该方法能够有效实现无副翼无人机的横航向姿态控制和航迹跟踪，具有实用性。本专利技术的技术方案是：一种无副翼无人机自主飞行控制方法，无副翼无人机在飞行过程中，传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，无副翼无人机的自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制指令包括方向舵指令和升降舵指令。所述方向舵指令的计算方法为，S1：读取无副翼无人机当前的位置坐标与无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路点坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的目标航向角，目标航向角减去当前的无人机航向角，得到航向角偏转指令。S2：根据无副翼无人机当前的位置坐标和无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路点坐标，计算无人机相对于预设航迹的侧向航迹偏差，航迹偏差乘以一定的增益系数，得到航向角修正指令。S3：航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令。S4：航向角控制指令通过PID解算，得到目标滚转角指令。S5：目标滚转角指令与当前滚转角做差，得到滚转角偏差，滚转角偏差经过比例积分微分运算，得到副翼控制指令。S6：副翼控制指令乘以前馈系数kf1得到方向舵指令。所述升降舵指令的计算方法为：(1)由当前高度和目标高度做差，通过PID算法，生成俯仰角指令。(2)由俯仰角指令与当前俯仰角做差，通过PID算法，生成升降舵控制指令。(3)方向舵指令乘以前馈系数kf2得到升降舵补偿指令。(4)升降舵补偿指令加升降舵控制指令，得到升降舵最终指令。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术通过PID算法生成目标滚转角，目标滚转角指令再通过PID算法解算出方向舵指令，通过方向舵的偏转产生偏航力矩，改变飞行器的偏航角，从而实现无副翼无人机的横航向控制。本专利技术根据无人机当前的俯仰角，通过PID算法解算，同时将方向舵指令乘以一定的前馈系数相加，生成升降舵指令，补偿因方向舵偏转带动滚转角变化造成的升力损失，可以实现无副翼无人机的协调转弯。小型无副翼无人机结构简单，单兵携带性能好，适合近距离侦查打击任务，本专利技术填补了这一方面的空白，具有实用性；本专利技术提出的控制方法采用的是经典控制理论中的PID算法，具有计算简单，可靠性高，控制效果好的特点；本专利技术提出的控制方法对无人机机载传感器数量要求低，仅需要一些基本的传感器，能够有效减轻无人飞行器机体重量，降低生产成本。附图说明：图1为无副翼无人机自主飞行控制系统框图。图中，地面站为Getac军用笔记本电脑，内置了自主研发的飞行、载荷控制程序，通过电脑串口向外发送和接收数据，数据通过无人机上搭载的900M带宽的通信电台进行交互；电台收到的地面站控制指令会实时传输到自驾仪中，同时自驾仪也会将收集到的传感器信息通过电台发回到地面站电脑。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术做进一步描述。参照图1，为无副翼无人机自主飞行控制系统框图。无副翼无人机在飞行过程中，传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制指令包括方向舵指令和升降舵指令。本专利技术主要包括两部分，第一部分为方向舵指令计算，第二部分为升降舵指令计算。所述方向舵指令的计算方法为：(1)读取无副翼无人机当前的位置坐标与无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路点坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的目标航向角，目标航向角减去当前的无人机航向角，得到航向角偏转指令Yaw1。Δx=xe-xaΔy=ye-ya]]>Heading＝atan2(Δx,Δy)Yaw1＝Heading-heading其中，xe和ye是无人机当前位置在地面坐标系下的相对坐标，xa和ya是当前目标航路点的相对坐标，Heading是目标航向角，heading为传感器测出的无人机航向角。(2)根据无副翼无人机当前的位置坐标和无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路点坐标，计算无人机相对于预设航迹的侧向航迹偏差d，航迹偏差d乘以一定的增益系数，得到航向角修正指令Yaw2。d=(xa-xe)(yb-ye)-(xb-xe)(ya-ye)(xa-xb)2+(ya-yb)2]]>Yaw2＝K·d其中，xb和yb是上一个目标航路点的相对坐标，K为增益系数，根据经验选取，不同飞机取值不同，范围在0.012到0.048之间。(3)航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令Yaw。Yaw＝Yaw1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无副翼无人机自主飞行控制方法，其特征在于：无副翼无人机在飞行过程中，传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，无副翼无人机的自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制指令包括方向舵指令和升降舵指令。

【技术特征摘要】
1.一种无副翼无人机自主飞行控制方法，其特征在于：无副翼无人机在飞行过程中，
传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，无副翼无人机的自驾仪根据传感器获取的位置姿
态信息进行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，
所述控制指令包括方向舵指令和升降舵指令。
2.根据权利要求1所述的无副翼无人机自主飞行控制方法，其特征在于：所述方向舵
指令的计算方法包括以下步骤：
S1：读取无副翼无人机当前的位置坐标与无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路
点坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的目标航向角，目标航向角减去当前的无人机
航向角，得到航向角偏转指令；
S2：根据无副翼无人机当前的位置坐标和无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目标航路
点坐标，计算无人机相对于预设航迹的侧向航迹偏差，航迹偏差乘以一定的增益系数，得到
航向角修正指令；
S3：航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令；
S4：航向角控制指令通过PID解算，得到目标滚转角指令；
S5：目标滚转角指令与当前滚转角做差，得到滚转角偏差，滚转角偏差经过比例积分微
分运算，得到副翼控制指令；
S6：副翼控制指令乘以前馈系数kf1得到方向舵指令。
3.根据权利要求1所述的无副翼无人机自主飞行控制方法，其特征在于：所述升降舵
指令的计算方法包括以下步骤：
S1：由当前高度和目标高度做差，通过PID算法，生成目标俯仰角指令；
S2：由目标俯仰角指令与当前...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，侯中喜，高俊，郭正，郭天豪，陈清阳，王建军，冒云惠，李樾，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43