一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，本发明专利技术将着陆拉平控制装置分为俯仰角控制回路和空速控制回路两部分，针对简易传感器配置下的无人机，无法获得满足精度要求的升降速度信息和升降加速度信息的情况，充分利用可用传感器信息，通过计算期望俯仰角＊↓［ｇ］（ｔ）、含修正的期望俯仰角＊↓［ｇ］′（ｔ）、期望空速ｖ↓［ｇ］（ｔ）、含修正的期望空速ｖ↓［ｇ］′（ｔ）、升降舵控制指令δ↓［ｚ］（ｔ）、发动机节风门指令δ↓［ｐ］（ｔ）等过程，来实现控制回路中的各个控制环节，达到自动着陆拉平控制的目的。同时，遥控操纵人员可根据实际情况，在拉平过程中通过操作升降舵操纵杆和节风门操纵杆，对自动拉平进行修正控制，有效提高飞机的抗干扰能力，提高飞机着陆的精确度。

Automatic landing leveling control method for small-sized unmanned aerial vehicle and device thereof

The invention discloses a small UAV automatic landing leveling control method and device of the invention, the flareout control device is divided into two parts of control loop and velocity loop control pitch angle, UAV configuration simple sensors, unable to obtain meet the accuracy requirements of the lifting speed information and lifting acceleration information, make full use of the available sensor information, by calculating the expected pitch angle: * g (T), with expected pitch correction angle *: G '(T), V G: expected airspeed (T), with modified V g expect airspeed down' (T), elevator control command 8: Z (T), engine damper: Delta P directive (T) process, to achieve control of each loop in the control process, to achieve automatic flareout control purposes. At the same time, remote control personnel can according to the actual situation in the leveling process through the elevator operation lever and damper lever, correct control of the automatic leveling, effectively improve the aircraft anti-jamming capability, improve the accuracy of the aircraft landing.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种具有简易传感器配置的小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置。
技术介绍
轮式起降型无人机在着陆进近过程中，必须精确跟踪期望的着陆轨迹，以安全可靠地在期望着陆点接地，完成着陆控制。自动拉平控制是轮式起降型无人机自主着陆过程的关键阶段，拉平控制是否精确、安全、可靠，直接影响了飞机着陆的精确、安全。 一般轮式起降型无人机的滑跑着陆过程包括定高、下滑、拉平、飘落及着陆滑跑等阶段，如图1所示。着陆前飞机先在机场的上空定高飞行，当截获下滑线后，飞机按一定的下滑角开始下滑，同时发动机保持慢车状态，这时高度和空速减小，到达一定高度后，开始拉平，飞机跟踪拉平轨迹下降，高度和空速继续缓慢减小，当飞机离地约0.5～1.0m，控制升降舵上偏使得飞机抬头。当飞机到达降落速度时，控制升降舵下偏使得飞机俯仰角减小，飞机最终由于重力大于升力飘落接地，进入着陆滑跑。 飞机在下滑过程中的升降速度一般约为-3m/s左右，而飞机着地允许的升降速度一般为-0.3m/s～-0.6m/s。因此，拉平控制的目的是将下滑时飞机的升降速度减小至允许的接地升降速度范围内，通常采用指数曲线作为拉平轨迹，以便飞机以较小的升降速度接地。 一般自动拉平控制结构如图2所示，要实现该控制结构，达到满意的控制效果，需要准确测量得到无人机的高度、升降速度、升降加速度、俯仰角和俯仰角速率，这种控制结构通常适用于传感器配置完备的大型无人机，不适用于简易传感器配置的小型无人机。其中，简易传感器配置是指配置的传感器只能满足基本测量需求，测量精度不高，也没有余度。 常用的测量高度的传感器一般是大气机、无线电高度表、GPS等，这几种传感器的测量原理不同，各有其适用范围大气机通过测量大气压力(常称静压)解算得到气压高度，但气压高度测量精度不是很高，通常适用于机场附近的飞行，大气机还可测量升降速度和空速，但升降速度的测量精度也不高，不能满足自动拉平控制的要求；无线电高度表则通过测量电磁波反射地面的时间，并根据无线电传播速度解算得到高度和升降速度，这种方法测量的数据精度高，但只限于低高度使用，适用于起飞着陆过程；GPS测量的是地理高度，适用于执行任务时的巡航飞行使用，GPS也可测量得到升降速度，但其高度和升降速度精度也不能满足自动拉平控制的使用要求。常用的测量升降加速度的传感器一般是惯导、加速度计，测量俯仰角和俯仰角速率的装置一般是惯导、垂直陀螺、速率陀螺，或一些组合型的陀螺组件。 对于简易传感器配置的小型无人机，为了降低成本，系统组成会比较简单，一般只配置满足基本测量需求的高度传感器、空速传感器、俯仰角和俯仰角速率传感器等，如大气机和陀螺组件，而不会配置专门用于自动起飞着陆控制的无线电高度表，更不会配置像惯导这样价格昂贵的设备，因此简易配置传感器的无人机不能提供满足一般自动拉平控制结构所需的升降速度信息和升降加速度信息，一般的自动拉平控制方法不适用于简易配置的小型无人机自动着陆。 另外，考虑到在起飞和着陆阶段，无人机的速度比较小、高度比较低，气流的变化(主要是风)对无人机飞行的影响非常明显，且控制系统中传感器的误差是使得控制发生偏差的另一个重要原因，这些不确定因素的影响将会使得自动控制效果不是那么理想。 一般具有自动控制功能的无人机，当自动控制系统出现某些问题时，操纵手可利用遥控操纵杆，通过无线数据链将遥控控制指令发送给飞机，从而实现对飞机的遥控操纵。一般的遥控操纵通常有四个操纵杆量升降舵操纵杆量、方向舵操纵杆量、副翼操纵杆量和节风门操纵杆量，分别对应升降舵控制指令、方向舵控制指令、副翼控制指令和节风门控制指令。这里，可以利用升降舵操纵杆量和节风门操纵杆量对控制目标值的修正，实现对自动控制效果的修正，使得最终的控制效果更为精确，使这种简易传感器配置下的自动拉平控制方法能够适应不确定因素的影响，具有更强的抗干扰性，提高着陆的安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，利用该控制方法及其控制装置，能够使具有简易传感器配置的小型无人机在进行轮式滑跑回收过程中具有很好的纵向着陆精度和适应能力，提高无人机的着陆安全性。 为了达到上述目的，本专利技术利用简易传感器配置小型无人机的飞行高度、俯仰角、俯仰角速率以及空速信息，分别对无人机的俯仰角、空速进行控制，同时采集遥控操纵杆的升降舵操纵杆量和节风门操纵杆量分别对俯仰角和空速进行修正，最终实现无人机的自动拉平控制。本专利技术将自动着陆拉平控制装置分为俯仰角控制回路和空速控制回路两个控制模块，其中俯仰角控制回路由俯仰角和俯仰角速率传感器、高度传感器、期望俯仰角计算单元、期望俯仰角修正单元、俯仰角控制单元、升降舵组成；空速控制回路由空速传感器、高度传感器、期望空速计算单元、期望空速修正单元、空速控制单元、发动机组成。实现小型无人机的自动拉平控制具体包括以下六个步骤 步骤一实现期望俯仰角计算环节，得到期望俯仰角 根据无人机的飞行高度h(t)、开始拉平时的期望俯仰角 接地时的期望俯仰角 开始拉平时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望俯仰角 如式(1)所示 步骤二实现期望俯仰角修正环节，得到含有俯仰角修正量 的期望俯仰角 1)根据俯仰角修正上下边界值 和 升降舵操纵杆量上下边界值δzup和δzdw，得到俯仰角修正系数 如式(2)所示 2)根据俯仰角修正系数 和升降舵操纵杆量δzpro(t)，得到俯仰角修正量 如式(3)所示 3)根据期望俯仰角 计算含有修正量 的期望俯仰角 如式(4)所示 步骤三实现俯仰角控制环节，得到升降舵控制指令δz(t)； 根据无人机的俯仰角 含有修正的期望俯仰角 无人机的俯仰角速率ωz(t)以及相应的控制参数 得到升降舵控制指令δz(t)，如式(5)所示 步骤四实现期望空速计算环节，得到期望空速vg(t)； 根据无人机的飞行高度h(t)、开始拉平时的期望空速vgF、接地时的期望空速vgL、开始拉平时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望空速vg(t)，如式(6)所示 步骤五实现期望空速修正环节，得到含有空速修正量的期望空速v＇ksemt(t)； 1)根据空速修正上下边界值vkup和vkdw、节风门操纵杆量上下边界值δpup和δpdw，得到空速修正系数Kvx，如式(7)所示 2)根据空速修正系数Kvx和节风门操纵杆量δpro(t)，得到空速修正量vgsemi(t)，如式(8)所示 vgsemi(t)＝Kvxδppro(t) (8) 3)根据期望空速vg(t)，计算含有修正量的期望空速vg＇(t)，如式(9)所示 vg＇(t)＝vgsemi(t)+vg(t) (9) 步骤六实现空速控制，得到节风门控制指令δp(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型无人机自动着陆拉平控制方法，其特征在于按照以下步骤实现：　步骤一：实现期望俯仰角计算环节，得到期望俯仰角＊↓［ｇ］（ｔ）；　根据无人机的飞行高度ｈ（ｔ）、拉平开始时的期望俯仰角＊↓［ｇＦ］、接地时的期望俯仰角＊↓［ｇＬ］、拉平开始时的高度ｈ↓［Ｆ］、接地高度ｈ↓［Ｌ］，得到拉平过程中飞行高度ｈ（ｔ）对应的期望俯仰角＊↓［ｇ］（ｔ），如式（１）所示：　＊＊＊　（１）　步骤二：实现期望俯仰角修正环节，得到含有俯仰角修正量＊↓［ｇｓｅｍｉ］（ｔ）的期望俯仰角＊↓［ｇ］′（ｔ）；　１）根据俯仰角修正上下边界值＊↓［ｕｐ］和＊↓［ｄｗ］、升降舵操纵杆量上下边界值δ↓［ｚｕｐ］和δ↓［ｚｄｗ］，得到俯仰角修正系数Ｋ↓［＊ｘ］，如式（２）所示：　＊＊＊　（２）　２）根据俯仰角修正系数Ｋ↓［＊ｘ］和升降舵操纵杆量δ↓［ｚｐｒｏ］（ｔ），得到俯仰角修正量＊↓［ｇｓｅｍｉ］（ｔ），如式（３）所示：　＊↓［ｇｓｅｍｌ］（ｔ）＝Ｋ↓［＊ｘ］δ↓［ｚｐｒｏ］（ｔ）　（３）　３）根据期望俯仰角＊↓［ｇ］（ｔ），计算含有修正量的期望俯仰角＊↓［ｇ］′（ｔ），如式（４）所示：　＊↓［ｇ］′（ｔ）＝＊↓［ｇｓｅｍｉ］（ｔ）＋＊↓［ｇ］（ｔ）　（４）　步骤三：实现俯仰角控制环节，得到升降舵控制指令δ↓［ｚ］（ｔ）；　根据无人机的俯仰角＊（ｔ）、含有修正的期望俯仰角＊↓［ｇ］′（ｔ）、无人机的俯仰角速率ω↓［ｚ］（ｔ）以及相应的控制参数Ｋ↓［＊］、Ｋ↓［＊１］、Ｋ↓［ω↓［ｚ］］，得到升降舵控制指令δ↓［ｚ］（ｔ），如式（５）所示：　δ↓［ｚ］（ｔ）＝Ｋ↓［＊］（＊（ｔ）－＊↓［ｇ］′（ｔ））＋Ｋ↓［＊１］∫↓［０］↑［ｔ］（＊（ｔ）－＊↓［ｇ］′（ｔ））ｄτ＋Ｋ↓［ω↓［ｚ］］ω↓［ｚ］（ｔ）　（５）　步骤四：实现期望空速计算环节，得到期望空速ｖ↓［ｇ］（ｔ）；　根据无人机的飞行高度ｈ（ｔ）、拉平开始时的期望空速ｖ↓［ｇＦ］、接地时刻的期望空速ｖ↓［ｇＬ］、拉平开始时的高度ｈ↓［Ｆ］、接地高度ｈ↓［Ｌ］，得到拉平过程中飞行高度ｈ（ｔ）对应的期望空速ｖ↓［ｇ］（ｔ），如式（６）所示：　＊＊＊　（６）　步骤五：实现期望空速修正环节，得到含有空速修正量的期望空速ｖ′↓［ｇ］（ｔ）；　１）根据空速修正上下边界值ｖ↓［ｋｕｐ］和ｖ↓［ｋｄｗ］、节风门操纵量上下边界值δ↓［ｐｕｐ］和δ↓［ｐｄｗ］，得到空速修正系数Ｋ↓［ｖｘ］，如式（７）所示：＊＊＊...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王英勋，王宏伦，张翠萍，王勇，方晓星，舒婷婷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]