一种无人机自主驶入驶出控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无人机自主驶入驶出控制方法，属于无人机控制技术领域，所述无人机自主驶入驶出控制方法应用于四点式起落架布局无人机，控制方法包括：建立无人机地面滑行轨迹；控制律根据地面滑行轨迹解算得到作用于操作效应器的侧偏指令；操作效应器根据侧偏指令控制无人机跟踪滑行轨迹并自主行驶。本发明专利技术的无人机自主驶入驶出控制方法的有益效果是：通过应用于四点式起落架布局无人机自主驶入/驶出轨迹精确跟踪控制，可以减少无人机在跑道上的停留时间，提高跑道的利用率和无人机的自主等级，便于部队使用，提高作战效能。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机自主驶入驶出控制方法
本专利技术属于无人机控制
，尤其涉及一种无人机自主驶入驶出控制方法。
技术介绍
无人机采取的传统起飞/回收方式是：无人机由人工牵引至起飞线并对准主跑道中心线；无人机着陆后在主跑道自动停机，由人工牵引回停机坪。但是随着人们对无人机自主能力要求的不断提升，自主驶入/驶出能力是无人机技术发展的必然方向。在某些时段，机场进驻飞机较多，主跑道资源使用紧张，若专门为无人机安排牵引车辆将飞机拉进/拉出并对准跑道，必将占用更多的机场资源，机场主跑道利用效率将受到较大影响。目前，我国在无人机自主驶入(沿预定复杂轨迹由停机坪自动滑行至起飞线)/驶出(着陆后由跑道自动滑行至停机坪)方面的研究才刚刚起步，有关四点式起落架布局无人机自主驶入/驶出的设计技术尚属空白。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人机自主驶入驶出控制方法，用于解决无人机在驶入驶出过程中实现自主驾驶。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种无人机自主驶入驶出控制方法，所述无人机自主驶入驶出控制方法应用于四点式起落架布局无人机，所述控制方法包括：建立无人机地面滑行轨迹；控制律根据地面滑行轨迹解算得到作用于操作效应器的侧偏指令；操作效应器根据侧偏指令控制无人机跟踪滑行轨迹并自主行驶。进一步的，所述地面滑行轨迹包括至少一直线轨迹和至少一圆弧轨迹，直线轨迹和圆弧轨迹连接于停机坪和跑道。进一步的，所述操作效应器包括独立控制左前轮和右前轮转弯的转弯操作效应器、用于控制无人机转弯方向的方向舵效应器及用于控制主轮差动刹车的纠偏操作效应器；所述转弯操作效应器用于无人机低、中速滑行时控制，所述方向舵效应器用于无人机高速滑行控制，以及纠偏操作效应器用于转弯操作效应器及方向舵效应器失效或控制偏转过大时对无人机进行纠偏控制。进一步的，所述控制律包括用于解算轨迹控制所需偏航操纵力矩的核心控制律及用于将操纵效能分配给各操纵效应器的操作效能分配控制律，操作效能分配控制律接收核心控制律输出偏航操纵力矩及预偏角度。进一步的，所述核心控制律采用“侧偏+航向”的纠偏控制结构，其控制过程为：首先获得航向指令；之后将所述航向指令与飞机当前航向和轨迹航向综合后，引入偏航角速度最终得到纠偏控制所需的偏航操纵力矩。进一步的，所述操作效能分配控制律控制过程为：根据核心控制律输出的偏航操纵力矩需求将其并分配给前轮转弯、方向舵和主轮差动刹车，分配方法为：低速、中速阶段纠偏以前轮转弯为主，高速阶段纠偏以方向舵为主；当前轮转弯或方向舵效能不足或失效，或侧偏过大时，使用主轮差动刹车。进一步的，左右前轮偏转角度的协调关系为：向左偏转时，外侧的右前轮与内侧的左前轮关系向右偏转时，外侧的左前轮与内侧的右前轮关系上式中：αL为左前轮偏转角度；αR为右前轮偏转角度；Lmn为前主轮距；Ln为前轮距。进一步的，预偏角度为内侧的前轮偏转角度，其具体为：上式中：nwspre为前轮预偏角度；R为转弯半径；L为无人机重心到主轮连线的距离。本专利技术的无人机自主驶入驶出控制方法的有益效果是：通过应用于四点式起落架布局无人机自主驶入/驶出轨迹精确跟踪控制，可以减少无人机在跑道上的停留时间，提高跑道的利用率和无人机的自主等级，便于部队使用，提高作战效能。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1为本专利技术的控制律结构原理图。图2为本专利技术的核心控制律原理图。图3为本专利技术的操纵效能分配控制律原理图。图4为本专利技术的向左转弯运动示意图。图5为本专利技术的驶入阶段轨迹跟踪。图6为本专利技术的驶入阶段飞机参数和操纵效应器输出。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。本专利技术提供一种适用于四点式起落架布局的无人机自主驶入驶出控制方法，其控制方法包括：首先建立无人机地面滑行轨迹；之后控制律根据地面滑行轨迹解算得到作用于操作效应器的侧偏指令；最后操作效应器根据侧偏指令控制无人机跟踪滑行轨迹并自主行驶。上述控制方法中，对主要功能部分进行分析或设计：(a)操纵效应器(前轮转弯、方向舵和主轮差动刹车)本专利技术中使用的轨迹控制操纵效应器有三种，分别为可独立控制的左/右前轮转弯操作效应器、方向舵效应器和主轮差动刹车效应器。转弯操作效应器适用于低、中、高速各种滑行阶段，考虑飞机侧翻因素，转弯操作效应器在中、高速段使用权限较小，而低速段(特别是驶入/驶出任务)的转弯操作效应器可提供较大的操纵效能和较高的控制精度，因此转弯操作效应器作为低、中速滑行的主操纵效应器；方向舵效应器仅适用于高速滑行，并作为高速滑行的主操纵效应器，主要原因是其操纵效率受速压影响；主轮差动刹车效应器作为一种辅助的纠偏操纵效应器，一般用于非正常情况(主操纵效应器失效或侧偏过大等情况)，主要原因是主轮刹车的主要任务是速度控制，且由于死区等原因其纠偏控制精度不高。(b)控制律结构本专利技术采用核心控制律和操纵效能分配控制律共同控制的控制律结构，核心控制律用于解算轨迹控制所需的偏航操纵力矩，而操纵效能分配控制律则根据各操纵效应器工作情况将操纵效能分配给各操纵效应器，实现所需偏航操纵力矩。如图1所示，核心控制律设置于操纵效能分配控制律之前，核心控制律首先根据轨迹解算出所需的操作力矩，并将其传递给操纵效能分配控制率，操纵效能分配控制率根据操作力矩并引入预偏角度生成操纵效应器的工作指令，也就是左前轮指令、右前轮指令、方向舵指令、左刹车指令及右刹车指令，之后飞机方程根据各个指令输出飞机的偏航角速度、航向角及侧偏距，核心控制律动态的根据飞机方程输出的数据再进行解算，如此循环控制实现无人机的姿态控制。(c)核心控制律本专利技术采用基于“侧偏+航向”的地面纠偏控制结构，如图2所示，首先通过侧偏ZD(飞机与预定轨迹的垂直距离，传感器测量所得)修正得到的航向指令KZD，之后与飞机当前航向Psi和轨迹航向Psicmd综合，并引入偏航角速度wy形成纠偏控制所需的偏航操纵力矩需求Steer_cmd，作为“操纵效能分配控制律”的输入。在上述修正过程中，采用有静差控制策略，主要原因是控制误差能够满足飞机的任务需求，同时有利于保证系统的动态响应特性。图中，Lim1和lim2由于将侧偏ZD进行幅值限制，可以保护装置，LowPassFilter(低通滤波器)滤掉高频噪声，KZD(增益)/KPSI(增益)/KWY(使得纠偏过程平滑)，如偏差1m低速时需偏转3度，而高速下则偏转1度；图2中的低通滤波器(LowPassFilter)根据传感器特性确定，限幅值(lim1和lim2)根据操纵效应器特性确定。(d)操纵效能分配控制律本专利技术中的操纵效能分配控制律根据“核心控制律”输出的偏航操纵力矩需求，根据当前速度和各操纵效应器的工作情况，将操纵效能分配给前轮转弯nws_cmd、方向舵dy_cmd和主轮差动刹车Dbrake_cmd，如图3所示。主要分配方法是：低速(含驶入/驶出任务)、中速阶段纠偏以前轮转弯为主，高速阶段纠偏以方向舵为主；当前轮转弯或方向舵效能不足或失效，或由于不确定性因素导致侧偏过大时，使用主轮差动刹车。图3中的限幅值(lim3、lim4和lim本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机自主驶入驶出控制方法，其特征在于，所述无人机自主驶入驶出控制方法应用于四点式起落架布局无人机，控制方法包括：建立无人机地面滑行轨迹；控制律根据地面滑行轨迹解算得到作用于操作效应器的侧偏指令；操作效应器根据侧偏指令控制无人机跟踪滑行轨迹并自主行驶。

【技术特征摘要】
1.一种无人机自主驶入驶出控制方法，其特征在于，所述无人机自主驶入驶出控制方法应用于四点式起落架布局无人机，控制方法包括：建立无人机地面滑行轨迹；控制律根据地面滑行轨迹解算得到作用于操作效应器的侧偏指令；操作效应器根据侧偏指令控制无人机跟踪滑行轨迹并自主行驶。2.根据权利要求1所述的无人机自主驶入驶出控制方法，其特征在于，所述地面滑行轨迹包括至少一直线轨迹和至少一圆弧轨迹，直线轨迹和圆弧轨迹连接于停机坪和跑道。3.根据权利要求1所述的无人机自主驶入驶出控制方法，其特征在于，所述操作效应器包括独立控制左前轮和右前轮转弯的转弯操作效应器、用于控制无人机转弯方向的方向舵效应器及用于控制主轮差动刹车的纠偏操作效应器；所述转弯操作效应器用于无人机低、中速滑行时控制，所述方向舵效应器用于无人机高速滑行控制，以及纠偏操作效应器用于转弯操作效应器及方向舵效应器失效或控制偏转过大时对无人机进行纠偏控制。4.根据权利要求1所述的无人机自主驶入驶出控制方法，其特征在于，所述控制律包括用于解算轨迹控制所需偏航操纵力矩的核心控制律及用于将操纵效能分配给各操纵效应器的操作效能分配控制律，操作效能分配控制律接收核心控制律输出偏航操纵力矩及预偏角度。5.根据权利要求4所述的无...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱家兴，韩英华，王允辉，曹正礼，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21