CN102508493A - 一种小型无人飞行器飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种小型无人飞行器飞行控制方法，采用一个单轴MEMS陀螺仪、气压计和单点GPS接收机作为传感器，通过合理搭配和控制设计，实现小型无人飞行器的自主飞行。在侧向通道控制中，单轴MEMS陀螺仪敏感轴在飞行器纵向平面内，与机体坐标系z轴成一定角度、与机体坐标系x轴成一定角度，用于保证小型无人飞行器侧向通道的稳定，然后利用GPS的位置信息定航线飞行。在纵向通道控制中，通过对气压计构造微分网络阻尼小型无人飞行器的长周期升沉震荡，然后利用GPS的高度进行定高飞行。本发明特别适用于不构成微小型惯性导航系统的小型无人飞行器自主飞行控制。本发明实现了用最少的传感器使小型无人飞行器能够按规划的航陆点自主飞行。

Description

一种小型无人飞行器飞行控制方法

技术领域

本发明属于航空飞行器导航、制导与控制技术领域，特别涉及MEMS陀螺仪、气压计、单点GPS测量设备，适用于对各种常规固定翼型的小型无人飞行器自主控制。

背景技术

小型无人飞行器具有尺度小、成本低、便于集群协同工作的优势，能够满足低消耗、低伤亡、精确打击等军事需求。通过改装不同的机载传感器，可以完成攻击路线侦察、点目标探测、城市作战、通信监控、电子干扰和对地攻击等特殊任务。同时，小型无人飞行器也具有广阔的国民经济应用前景。小型无人飞行器搭载航空摄像机等遥感设备，可以为国土资源监察工作提供清晰、直观的高分辨遥感影像。此外，还可在反恐作业、农情检测以及灾害预报等领域发挥重要作用。另外，机群编队组网的小型无人飞行器能够发挥更显著的作用，甚至可以完成大型飞行器难以完成的任务。目前，国土资源部已经利用小型无人飞行器逐步建立“网上报、空中看、地上查”的立体跟踪监测体系，对土地和资源的利用情况进行动态监测。

随着微型制造技术和MEMS技术的发展，新一代微型MEMS陀螺仪迅速发展起来，为低成本小型无人飞行器飞行控制系统的设计和研制提供了有力支持。目前的小型无人飞行器飞行控制方法都是基于三个正交安装的陀螺仪和加速度计构成的微小型惯性测量单元(IMU)，然后与GPS组合导航提供小型无人飞行器的运动状态信息，在此基础上对小型无人飞行器进行控制器设计，实现自主飞行。比如，加拿大的MP2028(MP2128)、瑞士的Wecontrol，国内的飞鼠(UP20)、IFLY40等飞行控制系统都要求组成微小惯导系统。这些系统的飞行控制方法是延续大型飞行器飞行控制的设计理念，其核心姿态测量算法是捷联解算和组合导航的Kalman滤波，先进的算法不对外公布，这给非专门从事惯性导航专业的试飞人员带来了很大的不便。

综上所述，目前基于微惯性组合导航系统的小型无人飞行器飞行控制方法，存在着如下不足：

(1)现有小型无人飞行器飞行控制方法要求测量飞行器的姿态，但是由于小型无人飞行器内部环境复杂，特别是在发动机启动后振动环境恶略，很难准确测量出小型无人飞行器的姿态，导致姿态控制精度不高、严重影响到小型无人飞行器的飞行品质；

(2)目前小型无人飞行器飞行控制方法属于数字方式控制脉宽占空比，从而驱动数字舵机偏转，由于微惯性组合导航系统的传感器非常多、电路复杂、电磁兼容性差，极易干扰数字舵机的频点，从而引起小型无人飞行器的无规律性抖舵、可靠性低；

(3)虽然目前控制方法在保证测量精度条件下能够实现高精度的控制，但控制方法相对复杂，涉及配套传感器多，相应成本会高出5倍以上。

发明内容

本发明的目的是：克服现有小型无人飞行器飞行控制系统传感器多、算法复杂的不足，提供一种简单、适用的小型无人飞行器控制方法。通过利用一个单轴MEMS陀螺仪、气压计和单点GPS就能够实现小型无人飞行器的自主飞行控制。

本发明的技术解决方案是：针对小型无人飞行器特点，采用一种分离器件的设计理念，通过利用空气动力学原理间接控制小型无人飞行器的滚转姿态，避免了利用三个陀螺仪和加速度计进行复杂的捷联解算运算。

小型无人飞行器自主飞行控制实现的核心是利用一个与天向轴成5～10度安装角与体轴成80～85度安装角的单轴速率陀螺仪(MEMS陀螺仪或者精度更高的速率陀螺仪)敏感偏航和滚转角速度信息，将该速度信息反馈到副翼回路，相当于同时反馈了滚转角和滚转角速度信息，保证小型无人飞行器侧向通道稳定。当小型无人飞行器需要按照规划的航线自主飞行时，接通制导回路计算得到的目标航向，乘以反馈系数后叠加到副翼回路中。在纵向通道的控制中，通过对气压计构造微分网络并低通滤波求取垂向速度信息，利用该信息对小型无人飞行器的长周期升沉震荡进行阻尼，再利用GPS的高度进行定高飞行。

具体的小型无人飞行器飞行控制方法，包括以下步骤：

(1)采集单轴MEMS陀螺仪敏感的电压信号，对电压信号进行低通滤波处理；

(2)将敏感的电压信号放大后反馈到小型无人飞行器的副翼，即可以将该电压信号直接反馈，也可将该电压转化为角速度信息后，通过数字方式驱动数字舵机偏转；

(3)通过试飞调整天向陀螺到副翼回路的增益系数，使小型无人飞行器在各种滚转姿态下切换自驾能迅速改平飞，这一步是小型无人飞行器能够保证平飞的关键，如果小型无人飞行器没有副翼，那么将该信号反馈到方向舵；

(4)将GPS实时测量的小型无人飞行器位置信息与规划的期望航迹信息比较，再综合侧偏速度，计算得到小型无人飞行器的目标航向；

(5)将GPS实时测量的小型无人飞行器航向与目标航向比较，通过试飞调整反馈的增益系数并与步骤(3)信号一起叠加到飞行器的副翼。该步属于小型无人飞行器的制导回路，目的是使小型无人飞行器能够按照期望的航线自主飞行；

(6)采集气压计传感器的电压信号，对电压信号微分后再低通滤波求取小型无人飞行器的垂向速度；

(7)将垂向速度信息反馈到小型无人飞行器的升降舵，该步骤即可直接反馈也可转化为数字信号再驱动数字舵机偏转；

(8)利用GPS实时测量的高度进行定高飞行。将GPS模块测量的高度与目标高度比较，调整增益系数后与步骤(7)信号叠加使升降舵偏转。

本发明的原理是：通过利用小型无人飞行器的空气动力学原理，飞行器偏航角速度与滚转角之间的关系满足

，将MEMS陀螺仪测量的信息反馈到副翼回路，就相当于在不测量滚转角的情况下，间接将滚转角的测量值反馈到副翼。将MEMS陀螺仪与天向轴人为设置安装角度，就相当于将滚转角速度信息也反馈到副翼，对滚转运动进行增稳，在大风天气可以抑制飞行器绕体轴的震荡，从而实现了小型无人飞行器侧向回路的稳定功能。在调整天向陀螺仪反馈到副翼的增益系数过程中，要结合飞行试验循序增加反馈系数，一般以20％的比例增加，保证小型无人飞行器在各种滚转状态下切换自驾，都能够迅速改为平飞，且超调能够控制在可接受范围内。利用气压计的微分求取垂向速度主要用于抑制小型无人飞行器的长周期升沉震荡、然后利用GPS的高度进行定高飞行。在定高控制与垂向速度控制叠加过程中，要以定高控制为主、垂向速度控制为辅而后对升降舵限幅。

本发明与现有技术相比的优点在于：能够简化飞行控制系统的传感器配置、提升系统的可靠性、降低成本。具体表现在以下三点：

(1)采用本发明控制方法构成的飞行控制系统能够具有很好的刚度、强度、硬度，能够抗更强的外来冲击，稳定性好。由于不进行组合导航，还可以选用成本极低的MEMS陀螺仪，大大减小了飞行控制系统的体积和成本。

(2)通过巧妙利用小型无人飞行器飞行过程中的空气运动学原理，利用偏航角速度和滚转角之间的关系，间接控制了小型无人飞行器的滚转姿态，无需复杂的捷联解算和组合导航滤波运算来求取小型无人飞行器的姿态。

(3)具有很强的抗干扰能力和抗发动机振动能力，确保小型无人飞行器在野外复杂环境下安全执行任务。小型无人飞行器在野外飞行时，由于外界环境复杂，极易因为传感器测量不准导致飞行器失速，造成携带的摄像设备丢失等巨大损失。

附图说明

图1为本发明飞行控制方法流程图；

具体实施方式

本发明以单轴MEMS陀螺仪、气压计和单点GPS接收模块为传感测量装置，实现小型无人飞行器的自主飞行控制。具体实施方式如下：

(1)安装单轴MEMS陀螺仪，使其敏感轴与机体体轴成80～85度安装角，并与机体天向轴成5～10度安装角，实时采集单轴MEMS陀螺仪的电压信号，对该信号进行低通滤波平滑处理；

(2)将步骤(1)中单轴MEMS陀螺仪敏感的电压信号反馈到小型无人飞行器的副翼。该步骤既可以直接将电压值通过模拟方式反馈到副翼，也可以通过A/D转换器采集该电压信号，并转换为角速度信息后，利用数字方式驱动舵机偏转；

(3)通过试飞调整MEMS陀螺仪敏感角速度信息到副翼回路的增益系数。该增益系数需要结合人工操作舵量进行选择，一般按照20％比例逐步增加，调整完成后，通过试飞验证小型无人飞行器在各种大的滚转状态下切换自动驾驶，观察其摆平的动态过程。允许小型无人飞行器在摆平的调整过程中出现一次超调，直至使小型无人飞行器具有较好的调整过程；

(4)根据GPS实时测得的小型无人飞行器位置、速度信息，通过计算偏离目标航线的侧偏距和侧偏速度得到的小型无人飞行器的目标航向。目标航向计算可按照ψ_m＝k₁·Z+k₂·V_⊥进行简单计算，再进行限幅，计算目标航向属于中间过渡环节，通过按照目标航向飞行达到压航线飞行的目的；

(5)在步骤(4)基础上，计算目标航向与GPS实测航向的偏差进行限幅后(一般限幅30～45度，有利于控制增益系数的选取)，通过数传电台按照20％比例逐步增加，实时调整目标航向到副翼的增益系数，使小型无人飞行器在切换自动驾驶后能迅速按照计划航线自主飞行；

(6)采集气压计敏感的电压信号，并在硬件上通过电阻电容构造微分网络后，软件上低通滤波求取垂向速度，垂向速度可以按照

求取，T为低通滤波的时间常数；

(7)将步骤(6)的垂向速度V_u反馈到小型无人飞行器的升降舵，调整垂向速度到升降舵的控制器增益系数，使小型无人飞行器定高飞行时不出现上下震荡，完成对垂向长周期震荡的抑制；

(8)将GPS模块测量的实时高度与目标高度进行比较，乘以高度到升降舵的增益系数并限幅后，与步骤(7)信号一起反馈到小型无人飞行器的升降舵。该增益系数需要结合人工操作舵量进行选择，视小型无人飞行器尺寸不同反馈的增益系数有较大变化，一般按照20％比例逐步增加增益系数数值，略高于步骤(7)的增益系数。调整完成后，通过飞行试验验证小型无人飞行器定高飞行的精度和长周期升沉震荡的阻尼情况。

上述步骤(1)～(8)步骤，是小型无人飞行器自主飞行控制的试验步骤，涉及到了飞行控制系统安装的注意事项、控制器增益系数的调整方法等。航路点设计需要结合地面站并利用数传电台上传飞行控制系统，通过我们试验，按照上述步骤进行自主飞行的定高精度可以达到10米以内，压航线精度可以达到7米以内。

本发明的步骤(1)～(5)为飞行器的侧向通道控制，步骤(6)～(8)为飞行器的纵向通道控制。

本发明纵向通道主要控制小型无人飞行器的升降舵、侧向通道主要控制副翼，也有一类小型无人飞行器没有副翼，那么这类小型无人飞行器上反角一定很大，且具有方向舵，将本发明所述侧向通道中控制副翼的信号转为反馈到方向舵即可。

本发明可以作为一种通用的基于微型MEMS陀螺仪飞行控制方法，由于不对陀螺仪的测量值进行积分运算所以对陀螺的精度要求很低，特别适合低成本MEMS陀螺仪传感设备。由于该方法是一种通用的飞行控制方法，所以也可以利用更高精度的陀螺仪进行设计，同时该方法也可作为大型飞行器惯性导航系统出现故障时的一种备份供应急用。

Claims (4)

1.一种小型无人飞行器飞行控制方法，其特征包括以下步骤：

(1)采集单轴MEMS陀螺仪敏感的电压信号；

(2)将敏感的电压信号反馈到小型无人飞行器的副翼；

(3)通过试飞调整单轴MEMS陀螺仪速率信息到副翼回路的增益系数，使小型无人飞行器在各种滚转姿态下切换自动驾驶都能迅速改平飞；

(4)将GPS实时测量的小型无人飞行器位置信息与规划的期望航迹信息比较、计算得到小型无人飞行器的目标航向；

(5)将GPS实时测量的小型无人飞行器航向与步骤(4)的目标航向比较，通过试飞调整目标航向到副翼的增益系数，并与步骤(3)一起将控制信号叠加到小型无人飞行器的副翼，使小型无人飞行器压航线飞行；

(6)采集气压计传感器的电压信号；

(7)将气压计敏感信号进行微分后反馈到小型无人飞行器的升降舵，并输出舵偏角信息；

(8)利用GPS实时测量的高度信息与期望的目标高度进行比较，乘以高度到升降舵的增益系数并限幅后，将该信号叠加到飞行器的升降舵进行定高飞行。

2.根据权利要求1所述的小型无人飞行器飞行控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中的单轴MEMS陀螺仪的敏感轴必须保证安装在机体系前向与天向轴所在的纵向平面，单轴M EMS陀螺仪在安装过程中要设定安装角度，使其同时敏感无人飞行器偏航角速度和滚转角速度的合成值。

3.根据权利要求1所述的小型无人飞行器飞行控制方法，其特征在于：所述步骤(6)的气压高度计原始输出为电压值，须构成微分网络求取垂向速度，并采用低通滤波器对垂向速度进行平滑后反馈到升降舵。

4.根据权利要求1所述的小型无人飞行器飞行控制方法，其特征在于：所述步骤(8)中的GPS输出的高度测量值作为小型无人飞行器的飞行高度，其中GPS输出的是海拔高度，需要减去起飞点的海拔高度得到相对高度，再将定高飞行的目标高度与相对高度进行比较、计算得到升降舵偏角，与步骤(7)的舵偏角叠加驱动升降舵偏转。

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