基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人飞行器高度测量控制系统及控制方法，该控制系统包括高度表模块、卫星导航模块、惯性测量模块以及计算处理模块；高度表模块，实时测量所述无人飞行器对地距离；卫星导航模块，实时接收处理卫星信号，测量所述无人飞行器飞行位置及方向；惯性测量模块，实时测量所述无人飞行器姿态角速度及加速度；计算处理模块，以并行方式接收高度表模块、卫星导航模块及惯性测量模块的数据，计算获得高度测量数据；按照本发明专利技术实现的无人飞行器高度测量控制系统及其控制方法，能综合处理高度表故障、卫星导航故障或两者均故障的情况，使控制系统最大限度保证飞行器高度稳定。

Unmanned aerial vehicle height measurement control system and control method based on fault tolerant processing

The present invention discloses a kind of unmanned aircraft height measurement control system and control method, the control system includes altimeter module, satellite navigation module, inertial measurement module and the processing module; altimeter module, real-time measurement of the unmanned aircraft to ground distance; satellite navigation satellite signal receiving and processing module, real-time measurement, the aircraft flying position and direction; inertial measurement module, real-time measurement of the UAV attitude angular velocity and acceleration; the processing module, receiving module, satellite altimeter navigation module and inertial measurement module data in parallel, calculate the height measurement data; according to the UAV altitude measurement control system and control method of the invention to achieve, comprehensive treatment of altimeter satellite navigation, fault fault or both fault. The control system ensures maximum stability of the aircraft.

【技术实现步骤摘要】
基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统及控制方法
本专利技术涉及一种无人飞行器导航控制领域，尤其涉及一种基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统及控制方法。
技术介绍
无人飞行器的绝对高度(即海拔高度)是飞行器飞行的重要参数，是巡航式飞行器飞行时须控制的关键参数。稳定可靠地实时测量飞行器的绝对高度(即海拔高度)，是决定无人驾驶飞行器高度控制系统稳定的保证。测量飞行器高度的装置主要有卫星导航系统和高度表，卫星导航系统在空旷地带下能够全天候工作，且精度较高，但遇到遮挡易出现失捕而工作异常。高度表一般包括气压高度表和无线电高度表等类型。气压高度表受多种外界因素如飞行器速度、温度等等影响，测高误差常高达几百米，无线电高度表利用对地的无线电波发射原理工作，测量的是无人飞行器距地面高度，具有不受外界环境影响，精度高(尤其贴近地面时)的特点，但当无人飞行器姿态不稳(尤其是大俯仰、横滚)时，测高已出现不准或异常情况。目前，容错的策略主要有以下三种:第一种是故障屏蔽，它是一种通过冗余设计防止故障引入系统的方式，故障的存在对系统的运行是透明的，不产生影响，该种方式主要应用于可靠性、实时性要求较高的系统中，第二种是重构，它是通过对故障系统的移除，并重新恢复系统的运行，其过程包括故障检测、故障定位、故障隔离、故障恢复；第三种是上述两种方式的混合。通常实现容错的关键是冗余，现有技术中实现冗余一般都是通过增加额外的硬件资源，并增加额外的软件实现故障检测和容错，常常增加了设备成本而算法复杂，体现在专注于多类型测量装置的数据融合以提高测量精度，且组成系统的各个装置均存在故障失效的可能，因此亟需研究针对多种高度测量装置冗余系统的容错处理技术，以保证无人飞行器高度测量控制系统的工作稳定。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：如何提高多种高度测量装置组成的冗余测高系统的可靠性及容错性。本专利技术解决所述技术问题所采取的技术方案是：针对两种高度测量装置组成的冗余系统采用容错处理技术以提高可靠性并基于该容错处理技术构建无人飞行器高度测量控制系统。本专利技术借鉴了容错处理的思想，但不备份相同硬件资源，如备份高度表模块或卫星导航模块等，而是采用通过软件计算方式使不同测量模块均实现对无人飞行器高度测量，并在某一模块故障时将测量值渐变切换另一模块，以保证无人飞行器高度测量控制系统的工作稳定。本专利技术提供了一种基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，该控制系统包括高度表模块、卫星导航模块、惯性测量模块以及计算处理模块；所述高度表模块，实时测量所述无人飞行器对地距离；所述卫星导航模块，实时接收处理卫星信号，测量所述无人飞行器飞行位置及方向；所述惯性测量模块，实时测量所述无人飞行器姿态角速度及加速度；所述计算处理模块，以并行方式接收所述高度表模块、所述卫星导航模块及所述惯性测量模块的数据，计算获得高度测量数据。进一步地，所述高度表模块为无线电高度表。进一步地，所述卫星导航模块采用GPS接收机。进一步地，所述惯性测量模块为MEMS惯性测量单元。本专利技术还公开了一种基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：预先采集所述无人飞行器的工作区域的的地形数据并存储在所述计算处理模块中；所述地形数据采用如下二维网格数据格式：其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，为将所述工作区域划分的m×n大小的网格中一节点位置的经纬度坐标，Hi,j为网格节点对应地点的地面海拔高度；所述卫星导航模块获得所述无人飞行器位置数据，所述位置数据主要为：经度λ、纬度所述计算处理模块(4)通过二维双线性插值算法获得所述无人飞行器正下方地面的海拔高度近似值HDM；所述计算处理模块获取所述卫星导航模块数据及所述惯性测量模块数据，采用组合导航滤波算法计算得到所述无人飞行器的位置数据包括经度λ、纬度海拔高度Hsat；姿态数据包括滚动角速度ωx、偏航角速度ωy、俯仰角速度ωz及滚动角γ、偏航ψ、俯仰速度V。进一步地，所述计算处理模块根据如下步骤对所述高度表模块的数据、所述卫星导航模块数据、所述惯性测量模块的数据进行容错处理计算以获得用于飞行器高度控制的综合海拔高度Hctrl：情况1：当所述高度表模块、所述卫星导航模块、所述惯性测量模块均工作正常，采用Hctrl＝Hgdb+HDM或Hctrl＝Hsat计算综合海拔高度，其中Hgdb为所述计算处理模块采集所述高度表模块数据获得所述无人飞行器对地距离；情况2：当所述高度表模块于t＝tgdb_F时刻故障，但所述卫星导航模块、所述惯性测量模块均工作正常，按以下公式计算综合海拔高度：其中表示所述高度表模块故障前所述计算处理模块最后一次记录的综合海拔高度正常值；情况3：当所述卫星导航模块于t＝tsat_F时刻故障，但所述高度表模块、所述惯性测量模块均工作正常，按以下公式计算综合海拔高度：其中表示所述卫星导航模块故障前所述计算处理模块最后一次记录的综合海拔高度正常值；情况4：当所述卫星导航模块及所述高度表模块于t＝tsat_gdb_F时刻均故障，但所述惯性测量模块工作正常，按以下公式计算综合海拔高度：其中所述卫星导航模块及所述高度表模块均故障前所述计算处理模块最后一次记录的所述无人飞行器海拔高度正常值，VXH为飞行器的平均速度，预先存储在所述计算处理模块中。进一步地，所述计算处理模块经过PID控制算法控制所述无人飞行器高度稳定。按照本专利技术实现的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统及其控制方法，能够获得如下的有益效果：(1)本专利技术中对整体的控制系统进行了模块化设置的优化，按照本专利技术组成的四个模块中只要惯性测量模块和计算处理模块正常工作，且卫星导航模块及高度表模块不发生同时长时间故障的情况，飞行器的海拔高度可以测量获得；(2)另外一个方面，本专利技术中的飞行器高度测量控制系统采用了容错处理技术，上述的冗余容错处理技术允许产品设计采用可靠性等级较低的传感器组成测量系统，但是又并没有降低整体的测量控制系统的可靠性。总而言之，按本专利技术实现的基于容错处理技术的无人飞行器高度测量控制系统，在很大程度上提高了高度测量的可靠性，从而实现了无人飞行器高度控制系统的可靠性。附图说明图1为本专利技术实现的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统的组成示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。本专利技术实施例提供的一种基于容错处理技术的无人飞行器高度测量控制系统实例：主要包括高度表模块1、卫星导航模块2及惯性测量模块3、计算处理模块4；高度表模块1采用无线电高度表，实时测量飞行器对地距离；卫星导航模块2采用GPS接收机，接收处理卫星信号，实时测量无人飞行器飞行位置及方向；惯性测量模块3，采用AD公司的低成本MEMS惯性测量单元ADIS16405，实时测量飞行器姿态角速度及加速度；计算处理模块4以TI公司数字信号处理芯片TMS320C6713B为核心，扩展接口电路以并行方式接收高度表模块、卫星导航模块及惯性测量模块数据，综合计算后输出控制信号。计算处理模块4中存储了任务区域的地形数据；所述地形数据采用如下二维网格数据格式：如表1所列，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，该控制系统包括高度表模块(1)、卫星导航模块(2)、惯性测量模块(3)以及计算处理模块(4)；所述高度表模块(1)，实时测量所述无人飞行器对地距离；所述卫星导航模块(2)，实时接收处理卫星信号，测量所述无人飞行器飞行位置及方向；所述惯性测量模块(3)，实时测量所述无人飞行器姿态角速度及加速度；所述计算处理模块(4)，以并行方式接收所述高度表模块(1)、所述卫星导航模块(2)及所述惯性测量模块(3)的数据，计算获得高度测量数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，该控制系统包括高度表模块(1)、卫星导航模块(2)、惯性测量模块(3)以及计算处理模块(4)；所述高度表模块(1)，实时测量所述无人飞行器对地距离；所述卫星导航模块(2)，实时接收处理卫星信号，测量所述无人飞行器飞行位置及方向；所述惯性测量模块(3)，实时测量所述无人飞行器姿态角速度及加速度；所述计算处理模块(4)，以并行方式接收所述高度表模块(1)、所述卫星导航模块(2)及所述惯性测量模块(3)的数据，计算获得高度测量数据。2.如权利要求1所述的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，所述高度表模块(1)为无线电高度表。3.如权利要求1或2所述的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，所述卫星导航模块(2)采用GPS接收机。4.如权利要求3所述的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统，其特征在于，所述惯性测量模块(3)为MEMS惯性测量单元。5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：预先采集所述无人飞行器的工作区域的的地形数据并存储在所述计算处理模块(4)中；所述地形数据采用如下二维网格数据格式：其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m，为将所述工作区域划分的m×n大小的网格中一节点位置的经纬度坐标，Hi,j为网格节点对应地点的地面海拔高度；所述卫星导航模块(2)获得所述无人飞行器位置数据，所述位置数据主要为：经度λ、纬度所述计算处理模块(4)通过二维双线性插值算法获得所述无人飞行器正下方地面的海拔高度近似值HDM；所述计算处理模块(4)获取所述卫星导航模块(2)数据及所述惯性测量模块数据(3)，采用组合导航滤波算法计算得到所述无人飞行器的位置数据包括经度λ、纬度海拔高度Hsat；姿态数据包括滚动角速度ωx、偏航角速度ωy、俯仰角速度ωz及滚动角γ、偏航ψ、俯仰θ、速度V。6.如权利要求5所述的基于容错处理的无人飞行器高度测量控制系统的控制方法，其特征在于：所述计算处理模块(4)根据如下步骤对所述高度表模块(1)的数据、所述卫星导航模块(2)数据、所述惯性测量模块(3)的数据进行容错处理计算以获得用于飞行器高度控制的综合海拔高度Hct...

【专利技术属性】
技术研发人员：何昱，廖良斌，宋超凡，陶婷，张伟，田玉琴，
申请(专利权)人：湖北三江航天红峰控制有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42