CN101718994A - 一种无人机自动着陆拉平控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自动着陆拉平控制方法，采用开环修正与闭环反馈控制相结合的控制方案，通过得到升降速度期望值v_yg(t)、升降加速度期望值a_yg(t)、期望的俯仰角θ_g(t)、升降舵偏度指令δ_z(t)，来实现控制回路中的各个控制环节，尤其引入了升降速度开环积分修正量v_ygSemi，减小了实际飞机接地时的升降速度与期望值的偏差。修正量物理意义明确，易于实现，工程应用性强，适用于有高精度要求的无人机自动着陆拉平控制，有效提高着陆安全性。

Description

一种无人机自动着陆拉平控制方法

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种无人机自动着陆拉平控制方法。

背景技术

着陆回收是无人机飞行过程的一个重要阶段，也是飞行中最易出现事故的环节，因此对于着陆回收阶段的自动飞行控制的设计尤为关键。无人机的回收方式可以归纳为伞降回收、轮式滑跑着陆回收、拦截网回收、气垫着陆回收等类型。相对于其他回收方式，轮式滑跑着陆回收方式不需要拦截网或气垫等辅助设备，具有更高的自主性，是无人机着陆回收的重要发展方向。采用轮式滑跑着陆方式的无人机在着陆期间，必须精确跟踪期望的着陆轨迹，以安全可靠地降落到期望着陆点。

通常无人机整个轮式滑跑着陆过程包括定高、下滑、拉平、平飞减速、飘落及滑跑等阶段，如图1所示，飞机着陆前先在机场上空作定高飞行，当截获下滑线后按下滑角下滑，当飞机高度低于一定高度时，飞机沿曲线拉平，随后进入平飞减速阶段，控制飞机的速度方向与地面基本平行，此时飞机离地约0.5～1.0m，飞机速度逐渐减小，需要升降舵上偏使得飞机抬头。当飞机到达降落速度时，将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，进行滑跑着陆。

现有的无人机自动着陆拉平控制结构如图2所示，包括内环的俯仰角控制回路1以及外环的升降速度控制回路2。

其中外环的输入为升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)，根据飞机接入拉平控制时的高度h₀及升降速度v_y0、期望的飞机着地升降速度v_yjd、飞机拉平过程中的高度h(t)以及升降速度v_y(t)得到。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，设计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，以便飞机以较小的升降速度接地，通常采用指数曲线作为期望的拉平曲线。

俯仰角控制回路1的输入为期望的俯仰角

亦为升降速度控制环节的输出，通常采用经典的PID控制结构，如图3中所示，根据上述的期望的升降速度v_yg(t)和升降加速度a_yg(t)计算，如式(1)所示：

${\mathrm{\θ}}_g\left(t\right)=K_L(v_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-v_y\left(t\right))+K_{\mathrm{LI}}{\∫}_{t_0}^t(v_{\mathrm{yg}}\left(\mathrm{\τ}\right)-v_y\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ}+K_{\mathrm{LD}}(a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-a_y\left(t\right))---\left(1\right)$

其中，v_y(t)为飞机升降速度，a_y(t)为飞机升降加速度，K_L为比例控制参数，K_LI为积分控制参数，K_LD为微分控制参数。

俯仰角控制回路1的输出为升降舵偏度指令δ_z(t)，即为操纵量输出至舵机回路控制舵面的偏转。根据无人机的俯仰角

期望的俯仰角

无人机的俯仰角速率ω_z(t)以及相应的控制参数 计算，如式(2)所示：

${\mathrm{\δ}}_z\left(t\right)=K_{\mathrm{\θ}}(\mathrm{\θ}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_g\left(t\right))+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)---\left(2\right)$

由上述对通常无人机着陆时拉平控制方法的描述中可以看出，对于升降速度控制回路2的设计是无人机着陆拉平控制的重要环节。在采用PID控制结构时，自动控制的基本思想是基于偏差的反馈，即将飞机升降速度与期望值的偏差引入至控制回路来实现对升降速度的控制。其中引入了偏差量的微分信号能够起到增强阻尼抑制振荡的作用，而引入偏差量的积分信号能够消除系统的稳态误差。同时应注意到，所指的消除稳态误差是具有一定的调节时间的，由于在拉平过程中飞机升降速度的期望值随高度变化，而实际的受控飞机的运动总会滞后于期望的运动，因此实际飞机接地时的升降速度并非期望值。对于着陆要求不高的小型无人机，这样的控制方式是可行的。但是，对于着陆要求较高的大型无人机，飞机着陆时的损伤代价较大，要求更高的着陆升降速度的控制精度。该种自主着陆拉平控制方法难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了提高无人机纵向着陆精度，提高无人机着陆的安全性，提出一种无人机自动着陆拉平控制方法。

本发明的一种无人机自动着陆拉平控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：实现升降速度及升降加速度期望值生成环节，得到升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)；

根据飞机接入拉平控制时的高度h₀及升降速度v_y0、期望的飞机着地速度v_yjd、拉平过程中的飞机高度h(t)、拉平过程中的飞机升降速度v_y(t)，得到升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}h\left(t\right)+v_{\mathrm{yjd}}\\ a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}{v}_y\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤二：根据期望的俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi以及升降速度控制积分系数K_LI，得到升降速度开环积分修正量v_ygSemi；

升降速度开环积分修正量v_ygSemi如下式：

v_ygSemi＝ω_zgSemi/K_LI                             (4)

步骤三：实现升降速度控制环节，根据飞机升降速度v_y(t)、升降加速度a_y(t)、升降速度期望值v_yg(t)，升降速度开环积分修正量v_ygSemi以及控制参数K_L、K_LI、K_LD，得到期望的俯仰角

${\mathrm{\θ}}_g\left(t\right)=K_L(v_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-v_y\left(t\right))+K_{\mathrm{LI}}{\∫}_{t0}^t(v_{\mathrm{yg}}\left(\mathrm{\τ}\right)+v_{\mathrm{ygSemi}}-v_y\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ}+K_{\mathrm{LD}}(a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-a_y\left(t\right))---\left(5\right)$

其中：控制参数K_L、K_LI、K_LD根据现有的俯仰角控制回路选取；

步骤四：实现俯仰角控制环节，得到升降舵偏度指令δ_z(t)；

根据无人机的俯仰角

期望的俯仰角无人机的俯仰角速率ω_z(t)以及相应的控制参数

得到升降舵偏度指令δ_z(t)：

${\mathrm{\δ}}_z\left(t\right)=K_{\mathrm{\θ}}(\mathrm{\θ}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_g\left(t\right))+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)---\left(6\right)$

δ_z(t)作为升降舵回路的输入，通过控制升降舵偏转实现对无人机的控制。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用开环修正与闭环反馈控制相结合的控制方案，减小了实际飞机接地时的升降速度与期望值的偏差；

(2)本发明的对升降速度开环积分修正量可根据期望的俯仰角速率开环修正量得到，物理意义明确，易于实现；

(3)本发明适用于有高精度要求的无人机自动着陆拉平控制，有效提高着陆安全性。

附图说明

图1是无人机着陆过程示意图；

图2是现有的无人机自动着陆拉平控制结构示意图；

图3是现有的无人机升降速度控制环节示意图；

图4是本发明的方法流程图；

图5是本发明无人机拉平时升降速度的变化示意图；

图6是本发明中无人机升降速度控制环节示意图；

图7是本方法与现有方法的控制效果对比图。

图中：

1-俯仰角控制回路    2-升降速度控制回路

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的自动着陆拉平控制方法作进一步说明。

本发明所述的无人机自动着陆拉平控制方法，流程如图4所示，通过以下步骤实现：

步骤一：实现升降速度及升降加速度期望值生成环节，得到升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)。

飞机在垂直平面内，从下滑过渡到实际着陆点的纵向运动轨迹称之为拉平轨迹，一般采用指数曲线作为拉平轨迹。飞机以指数曲线进行拉平时，飞机的垂直升降速度随着高度的下降相应的减小，飞机的每个瞬间的升降速度和它当前的高度成比例。若以飞机的跑道平面线作为指数拉平轨迹的渐近线，并使升降速度为零，那么仅当时间和拉平距离趋于无穷大时飞机才能着地，这显然是不允许的。设跑道平面高出拉平轨迹渐近线的距离为h_c，此时期望的飞机升降速度与高度之间的关系表示为：

$v_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}(h\left(t\right)+h_c)=-\frac{1}{\mathrm{\τ}}h\left(t\right)+v_{\mathrm{yjd}}---\left(7\right)$

式中：τ为指数曲线时间常数，v_yjd为飞机着地速度。

由飞机接入拉平控制时的高度h₀和升降速度v_y0以及期望的飞机着地升降速度v_yjd即可确定指数曲线时间常数τ，如附图5所示：

τ＝h₀/(v_yjd-v_y0)                    (8)

将由式(8)得到的时间常数τ带入式(7)，则得到整个拉平过程中期望的升降速度v_yg(t)，将期望的升降速度对时间取导数则得到相应的期望的升降加速度a_yg(t)，如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}h\left(t\right)+v_{\mathrm{yjd}}\\ a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}{v}_y\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中h₀、v_y0为飞机接入拉平控制时的高度及升降速度，v_yjd为期望的飞机着地升降速度、h(t)为拉平过程中的飞机高度、v_y(t)为拉平过程中的飞机升降速度。

步骤二：根据期望的俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi以及升降速度控制积分系数K_LI，得到升降速度开环积分修正量v_ygSemi。

根据期望的俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi以及升降速度控制积分系数K_LI，得到升降速度开环积分修正量v_ygSemi，如式(4)所示：

v_ygSemi＝ω_zgSemi/K_LI                            (4)

在采用PID控制结构时，自动控制的基本思想是基于偏差的反馈，引入偏差量的积分信号能够消除系统的稳态误差。但其稳态误差的消除需要一定的调节时间，由于在拉平过程中飞机升降速度的期望值随高度变化，而实际的受控飞机的运动总会滞后于期望的运动，因此实际飞机接地时的升降速度并非期望值。因此，考虑飞机着陆时的安全性要求，引入开环修正量，连同闭环反馈量一同进入积分环节。

式(4)中的俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi意味着期望飞机的俯仰角在原拉平过程中叠加以怎样的速率进行变化的运动。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，整个拉平过程飞机处于逐渐抬头的过程。又因为受控飞机的运动总会滞后于期望的运动，因此在拉平过程中，期望的俯仰角应在其原有基础上以某个角速率提前偏转，也就是俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi一般选取为较小正数，例如0.05～0.2°/s，俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi依据飞机纵向运动特性进行初步选取，最终利用无人机全量数学模型验证后确定。

步骤三：实现升降速度控制环节，根据飞机升降速度v_y(t)、升降加速度a_y(t)、升降速度期望值v_yg(t)，升降速度开环积分修正量v_ygSemi以及控制参数K_L、K_LI、K_LD，得到期望的俯仰角

根据飞机升降速度v_y(t)、升降加速度a_y(t)、升降速度期望值v_yg(t)，升降速度开环积分修正量v_ygSemi以及相应的控制参数K_L、K_LI、K_LD，得到期望的俯仰角

如式(5)所示：

${\mathrm{\θ}}_g\left(t\right)=K_L(v_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-v_y\left(t\right))+K_{\mathrm{LI}}{\∫}_{t0}^t(v_{\mathrm{yg}}\left(\mathrm{\τ}\right)+v_{\mathrm{ygSemi}}-v_y\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ}+K_{\mathrm{LD}}(a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)-a_y\left(t\right))---\left(5\right)$

根据俯仰角控制回路1选取并确定控制参数K_L、K_LI、K_LD。如图6所示，在升降速度控制环节的积分通道中引入了升降速度开环积分修正量v_ygSemi，使得飞机在闭环反馈控制与开环修正的共同作用下跟踪期望升降速度。图7中给出了应用本发明所述方法和现有方法的控制效果对比图，图中实线表示飞机升降速度，虚线表示期望升降速度，在控制参数K_L、K_LI、K_LD均相同的条件下，选取ω_zgSemi＝0.1°/s，即期望俯仰角在原基础上按0.1°/s的速率增加。如图7所示，应用现有方法时，由于飞机实际的升降速度滞后于期望的升降速度，飞机接地时刻升降速度与期望值存在一定偏差，应用本方法时，接地时刻两者几乎没有偏差，升降速度很好的跟踪了理想曲线。

步骤四：实现俯仰角控制环节，得到升降舵偏度指令δ_z(t)。

根据无人机的俯仰角

期望的俯仰角

无人机的俯仰角速率ω_z(t)以及相应的控制参数

得到升降舵偏度指令δ_z(t)，如式(6)所示：

${\mathrm{\δ}}_z\left(t\right)=K_{\mathrm{\θ}}(\mathrm{\θ}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_g\left(t\right))+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)---\left(6\right)$

将δ_z(t)输入升降舵回路，通过控制升降舵实现对无人机俯仰角控制。

在所述的步骤四中，根据无人机的气动特性数据建立相应的无人机全量数学模型，并依据小扰动线性化方法列出无人机的线性化方程，并利用控制理论中的经典控制方法选取控制参数

然后利用无人机全量数学模型验证所设计的控制结构和参数是否能够使得系统满足控制要求。其中，建立无人机全量数学模型、小扰动线性化方法以及经典控制方法在飞控专业相关书籍中均有详细描述。

本发明所述的一种无人机自动着陆拉平控制方法，采用开环修正与闭环反馈控制相结合的控制方案，减小了实际飞机接地时的升降速度与期望值的偏差，对升降速度开环积分修正量可根据期望的俯仰角速率开环修正量得到，易于实现，工程应用性强，适用于有高精度要求的无人机自动着陆拉平控制，有效提高着陆安全性。

Claims (2)

1.一种无人机自动着陆拉平控制方法，其特征在于，所述的控制方法按照以下步骤实现：

步骤一：实现升降速度及升降加速度期望值生成环节，得到升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)；

根据飞机接入拉平控制时的高度h₀及升降速度v_y0、期望的飞机着地速度v_yjd、拉平过程中的飞机高度h(t)、拉平过程中的飞机升降速度v_y(t)，得到升降速度期望值v_yg(t)和升降加速度期望值a_yg(t)：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}h\left(t\right)+v_{\mathrm{yjd}}\\ a_{\mathrm{yg}}\left(t\right)=\frac{v_{y0}-v_{\mathrm{yjd}}}{h_0}{v}_y\left(t\right)\end{array}\right.$

步骤二：根据期望的俯仰角速率开环修正量ω_zeSemi以及升降速度控制积分系数K_LI，得到升降速度开环积分修正量v_ygSemi；

升降速度开环积分修正量v_ygSemi如下式：

v_ygSemi＝ω_zgSemi/K_LI

步骤三：实现升降速度控制环节，根据飞机升降速度v_y(t)、升降加速度a_y(t)、升降速度期望值v_yg(t)，升降速度开环积分修正量v_ygSemi以及控制参数K_L、K_LI、K_LD，得到期望的俯仰角θ_g(t)：

θ_g＝K_L(v_yg(t)-v_y(t))+K_LI∫_t0 ^t(v_yg(τ)+v_ygSemi-v_y(τ))dτ+K_LD(a_yg(t)-a_y(t))

其中：控制参数K_L、K_LI、K_LD根据现有的俯仰角控制回路选取；

步骤四：实现俯仰角控制环节，得到升降舵偏度指令δ_z(t)；

根据无人机的俯仰θ(t)、期望的俯仰角θ_g(t)、无人机的俯仰角速率ω_z(t)以及相应的控制参数

，得到升降舵偏度指令δ_z(t)：

${\mathrm{\δ}}_z\left(t\right)=K_{\mathrm{\θ}}(\mathrm{\θ}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_g\left(t\right))+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)$

δ_z(t)作为升降舵回路的输入，通过控制升降舵偏转实现对无人机的拉平控制。

2.根据权利要求1所述的一种无人机自动着陆拉平控制方法，其特征在于，步骤二中所述的俯仰角速率开环修正量ω_zgSemi依据飞机纵向运动特性进行初步选取，最终利用无人机全量数学模型验证后确定。

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