采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法技术

本发明专利技术是关于采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，属于无人机高度控制技术领域。首先根据无人机的高度指令信号通过惯性滤波器分别得到无人机的垂直速度与垂直加速度的指令信号。再通过垂直速度指令信号与无人机水平速度估计值得到无人机俯仰角速度指令信号；通过高度信号与高度指令信号形成的误差信号非线性变换后得到俯仰角位置指令信号；通过垂直加速度指令信号与实际垂直加速度信号得到的加速度误差信号进行非线性变换得到俯仰角加速度指令信号。最后通过三类指令信号得到最终的俯仰角指令信号并进行饱和预警保护设计，通过姿态控制系统跟踪实现给定高度指令的跟踪。本发明专利技术具有高度控制指令平稳与动态响应效果好的优点。

【技术实现步骤摘要】
采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法
本专利技术涉及无人机控制
，具体而言，涉及一种采用高度与加速度进行误差反馈控制无人机高度的方法。
技术介绍
无人飞行器的高度控制目前大部分采用的是高度误差的PID控制，当飞行高度大幅度变化是，采用一套参数往往难以适应无人机对大指令与小指令的兼容。比如进行小指令高度爬升与大指令高度爬升时，采用一套参数，往往会使得其中某套参数对大指令爬升速度过慢而又对小指令爬升速度过快的问题，该问题的根源时在于误差的大范围变化而导致的。同时，其高度控制往往需要测量高度的微分信号，目前高度微分的准确测量并不容易，而采用惯性导航设计对加速度积分得到的高度微分，也就是垂直速度的方法具有随着时间积累而发散的缺点。针对以上
技术介绍
，本专利技术提出了一种三类俯仰角指令信号综合叠加的方法，采用非线性变化实现对大小误差的兼容，同时采用加速度计形成反馈而避免了对速度的测量，最后从位置、速度、加速度三个环节形成了误差反馈，实现了高度的平稳精准控制。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分专利技术的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的高度控制动态性能不佳的问题。根据本专利技术的一个方面，提供采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，包括以下步骤：步骤S10，在无人机上安装惯性导航设备，分别测量无人机的高度、垂直加速度与俯仰角；步骤S20，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号；步骤S30，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号；并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号；步骤S40，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号；步骤S50，根据所述的滤波器位置输出信号，与无人机的高度信号进行比较，得到高度误差信号，再进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值；步骤S60，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号；步骤S70，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到最终的俯仰角指令信号；根据所述的加速度信号，进行饱和预警保护设置；步骤S80，根据俯仰角指令信号与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号，输送给俯仰舵系统，控制无人机，实现高度控制。在本专利技术的一种示例实施例中，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号包括：其中h*为根据飞行任务设置的期望高度指令信号。h*为惯性滤波器的时间常数，为期望的垂直速度信号。y1(1)为惯性滤波器的输出y1的第n个信号，其初始值设置为0，即y1(1)＝0。为期望的垂直速度信号的第n个信号。h*(n)为期望的高度指令信号h*的第n个信号。T为上述数据间的时间间隔，详见后文案例实施。T1为滤波器的时间常数，其选取按照如下原则：当时，增大T1为原来的a1倍，a1＞1，直至其中Vmax根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升的最大能力，即垂直爬升所允许的最大速度。最终y1为所求的滤波器位置输出信号，即为期望的垂直速度信号。在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号，并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号包括：其中为期望的垂直速度信号，为期望的垂直加速度信号，y2(1)为惯性滤波器的输出y2的第n个信号，其初始值设置为0，即y2(1)＝0。为期望的垂直加速度信号的第n个信号。为期望的垂直速度指令信号的第n个信号。T2为惯性滤波器的时间常数，其选取遵循如下原则：当时，增大T2为原来的a2倍，a2＞1，直至其中amax根据无人机的实际情况设置，其代表垂直爬升所允许的最大加速度。ay为无人机实际测量得到垂直加速度信号，ea为加速度误差信号。在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号包括：θv＝tan-1q；其中Vax为无人机向前的飞行速度估计值，为期望的垂直速度信号，q为速度比，θv即为所求的俯仰角速度指令期望值。在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的滤波器位置输出信号与高度误差信号进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值包括：eh＝y1-h；其中y1为滤波器的位置输出信号，h为无人机的高度信号，eh为高度误差信号，θs即为所求的最终的俯仰角位置指令信号期望值，k1、k2、ε、ε1为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号包括；其中ea为所述的加速度误差信号，θa即为最终所求的俯仰角加速度指令信号期望值，k3、k4、ε2为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的三类俯仰角指令信号，进行叠得到俯仰角指令预先信号，再进行饱和预警保护设置，得到最终的俯仰角指令信号包括：θ0＝θs+θa+θv；其中θ0为俯仰角指令预先信号，θs为俯仰角位置指令信号，θa为俯仰角加速度指令信号，θv为俯仰角速度指令信号。ay为无人机的垂直加速度信号，θd为最终的俯仰角指令信号，amax根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升所允许的最大加速度。在本专利技术的一种示例实施例中，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号包括：e＝θd-θ；其中θd为无人机俯仰角指令信号，θ为无人机的俯仰角信号，e为俯仰角误差信号，dt表示对时间信号积分，表示误差信号的微分，ka1、ka2、ka3表示PID控制器中比例、积分、微分系数。δ为俯仰综合信号。最终，将所述的俯仰综合信号δ，输送给无人机俯仰通道舵系统，即可实现低速无人机对给定高度指令的跟踪。本专利技术提供的一种采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其优点有四。其一在于采用加速度测量与反馈形成了加速度误差，对高度精准控制提供了有力的支撑；其二在于采用高度指令信号的微分代替速度测量，同时通过转换得到俯仰角期望信号的方法，得到了一种新型不需要测量速度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S10，在无人机上安装惯性导航设备，分别测量无人机的高度、垂直加速度与俯仰角；/n步骤S20，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号；/n步骤S30，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号；并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号；/n步骤S40，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号；/n步骤S50，根据所述的滤波器位置输出信号，与无人机的高度信号进行比较，得到高度误差信号，再进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值；/n步骤S60，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号；/n步骤S70，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到最终的俯仰角指令信号；根据所述的加速度信号，进行饱和预警保护设置；/n步骤S80，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号，输送给俯仰舵系统，控制无人机，实现高度控制。/n...

【技术特征摘要】
1.采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10，在无人机上安装惯性导航设备，分别测量无人机的高度、垂直加速度与俯仰角；
步骤S20，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号；
步骤S30，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号；并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号；
步骤S40，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号；
步骤S50，根据所述的滤波器位置输出信号，与无人机的高度信号进行比较，得到高度误差信号，再进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值；
步骤S60，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号；
步骤S70，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到最终的俯仰角指令信号；根据所述的加速度信号，进行饱和预警保护设置；
步骤S80，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号，输送给俯仰舵系统，控制无人机，实现高度控制。


2.根据权利要求1采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其特征在于，根据飞行任务设置期望的高度指令信号，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号包括：






其中h*为根据飞行任务设置的期望高度指令信号。h*为惯性滤波器的时间常数，为期望的垂直速度信号。y1(1)为惯性滤波器的输出y1的第n个信号，其初始值设置为0，即y1(1)＝0。为期望的垂直速度信号的第n个信号。h*(n)为期望的高度指令信号h*的第n个信号。T为上述数据间的时间间隔。最终y1为所求的滤波器位置输出信号，即为期望的垂直速度信号。T1为滤波器的时间常数，其选取按照如下原则：当时，增大T1为原来的a1倍，a1＞1，直至其中Vmax根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升的最大能力，即垂直爬升所允许的最大速度。


3.根据权利要求1采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其特征在于，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘子琛，
申请(专利权)人：刘子琛，
类型：发明
国别省市：上海;31