CN103116359B - 一种无人机着陆下滑初始段的引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机着陆下滑初始段的引导方法。本发明根据无人机进入着陆窗口时的无人机高度与着陆下滑期望轨迹高度之差，生成一个新高度给定指令。新高度给定指令与无人机高度之差作为飞行控制系统的外回路输入信号，引导无人机实现着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。该方法避免了传统控制方法因无人机高度与着陆下滑期望轨迹高度的大高度差，致使外回路控制律解算出的俯仰角给定指令达到限幅值，导致无人机放弃期望轨迹的跟踪控制。当顺风或逆风干扰存在时，本发明中新高度给定指令与无人机高度之差的引导信号仍然较小，能保证无人机沿着陆下滑期望轨迹着陆，使接地点状态达到技术指标要求。

Description

一种无人机着陆下滑初始段的引导方法

技术领域

本发明涉及一种无人机着陆下滑初始段的引导方法，属于无人机飞行控制领域。

背景技术

着陆过程是无人机整个自主飞行过程中最为复杂的环节，图1给出了无人机的整个着陆过程。无人机完成航线飞行后，进入调整段飞行。当进入着陆窗口后，无人机进入下滑段飞行；当高度小于规定值时，进入拉平段飞行；接地后进入着陆滑跑段。

无人机进入调整段飞行后，飞控计算机实时判断当前状态是否进入了着陆窗口。当进入着陆窗口时，无人机沿期望着陆轨迹着陆，期望着陆轨迹高度Hg是待飞距离D_togo的函数，待飞距离是指无人机距理想着陆点的水平距离，图2给出了待飞距离D_togo和高度差的定义，无人机距着陆窗口中心点O处的高度差可用于判断无人机是否进入着陆窗口。如果无人机由于干扰等原因没有进入着陆窗口，无人机需要重新进入调整段进行调整飞行，使无人机进入着陆窗口，从而进入后续着陆飞行阶段。

调整段的航段一般为水平直线，着陆窗口一般是垂直于调整段的航段的矩形平面，调整段的航段在着陆窗口与之相交，着陆窗口大小以其高度和宽度表示。着陆下滑期望轨迹为一条相对跑道平面具有一定倾角的直线，其起始点为着陆窗口的中心O点，末点为处于拉平开始高度处。

无人机进入着陆窗口后，采用一定的引导方法引导无人机跟踪着陆下滑期望轨迹，通常采用无人机高度与着陆下滑期望轨迹高度之差实现引导，将该引导信号输入给飞行控制系统，由飞行控制系统实施控制消除无人机高度与着陆下滑期望轨迹高度之差。飞行控制系统由内外两个回路组成，控制框图如图3所示。内回路为姿态控制回路，是由无人机的俯仰角反馈θ、俯仰角速率ω_z反馈构成，用于得到升降舵舵偏角δ_z指令。外回路为高度h反馈控制回路，用于得到内回路所需要的俯仰角给定指令θ_g。图3中Kp、Ki和Kd为升降舵回路控制律参数，Δh为着陆下滑期望轨迹高度Hg(D_togo)与实际高度h的差值，进入着陆窗口后，当存在高度差时，高度差通过外回路控制律解算得到俯仰角给定指令，再经过内回路控制律解算得到升降舵舵偏角指令，控制无人机消除高度差。通常外回路比例通道具有限幅环节，防止过大的高度偏差产生过大的俯仰角给定指令，致使升降舵舵偏角过大，导致飞行危险。当过大的高度差使俯仰角给定值达到限幅值时，此时无人机放弃了着陆下滑期望轨迹跟踪控制，仅进行俯仰角控制。此时，若存在顺风或逆风干扰，将导致无人机着陆接地点散布过大。

进入着陆窗口时较大的高度偏差直接作为引导信号输入给飞行控制系统，可能致使无人机放弃着陆下滑期望轨迹的跟踪控制，达不到接地指标要求。因此，如何使无人机在进入着陆窗口后存在较大的高度偏差时仍能沿期望下滑轨迹着陆，这对于自主飞行的无人机来说是非常关键的。

发明内容

本发明的目的是提出一种无人机着陆下滑初始段的引导方法。根据无人机进入着陆窗口后的高度偏差生成一个新高度给定指令Hg_real（其中，该新高度指令Hg_real是着陆下滑期望轨迹高度Hg(D_togo)、实时高度偏差Δh和时间t的函数），采用新高度给定指令Hg_real与无人机高度h之差为引导信号输入给飞行控制系统，引导无人机实现着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。

本发明的着陆下滑初始段的引导方法通过以下步骤实现：

步骤一：计算无人机进入着陆窗口时的高度差

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔH}}=h_0-\mathrm{Hg}\left(0\right)$

其中，h₀为无人机进入着陆窗口时刻的实际高度；Hg(0)为无人机进入着陆窗口时刻D_togo为0时的着陆下滑期望轨迹高度；

步骤二：根据生成新高度给定指令Hg_real：

${\mathrm{Hg}}_{\mathrm{real}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Hg}\left(D_{\mathrm{togo}}\right)+\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔH}}+k{\∫}_0^t\mathrm{\Δhdt}& \left(\right|\mathrm{\Δh}|>{\mathrm{dH}}_g)\\ \mathrm{Hg}\left(D_{\mathrm{togo}}\right)& \left(\right|\mathrm{\Δh}|\≤{\mathrm{dH}}_g)\end{array}\right.$

式中，t为无人机进入着陆窗口后的飞行时间（单位为秒），无人机进入着陆窗口的时刻定义为t＝0；Hg(D_togo)为着陆下滑期望轨迹高度；Δh＝Hg(D_togo)-h为着陆下滑期望轨迹高度Hg(D_togo)与实际高度h的差值；k为衰减速率，取值范围为0.03～0.1；dH_g为生成新高度给定指令Hg_real的门限值，取值范围为0.5m～10m；

步骤三：确定输入给飞行控制系统的引导信号

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δh}}={\mathrm{Hg}}_{\mathrm{real}}-h$

步骤四：将得到的引导信号输出至飞行控制系统的外回路，并重复步骤二和步骤三，引导无人机实现着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。

本发明提出的着陆下滑初始段的引导方法主要优点在于：

采用新高度给定指令Hg_real与无人机高度h之差为引导信号输入给飞行控制系统，避免了传统控制方法因大高度差Δh引导信号致使外回路控制律解算得到的θ_g达到限幅值，导致无人机放弃着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。采用本发明提出的引导方法，若存在顺风或逆风干扰，引导信号也不会偏大，则能使无人机顺利沿下滑期望轨迹着陆，使接地点的状态满足技术指标要求。

附图说明

图1：飞机着陆过程飞行示意图；

图2：待飞距离/高度差的定义示意图；

图3：传统飞行控制系统的控制框图；

图4：本发明提出的带导引模块飞行控制系统的控制框图；

图5：当k＝0.03，dH_g＝0.5时的无人机着陆仿真图；

图6：当k＝0.05，dH_g＝10时的无人机着陆仿真图；

具体实施方式

下面将结合实例和附图对本发明作进一步说明。

考虑某无人机着陆下滑期望轨迹起始点高度为3000m，进入着陆窗口时的无人机高度为2700m。根据该无人机的气动特性和技术指标要求，设计升降舵回路控制律参数Kp、Ki和Kd，使得无人机着陆下滑期望轨迹的跟踪控制达到设计要求，本发明提出的带引导模块的飞行控制系统的控制框图如图4所示，所述的引导模块以无人机实际高度h和期望着陆轨迹高度Hg作为引导模块的输入，然后输出新高度给定指令Hg_real，根据所述的新高度给定指令Hg_real计算得到引导信号输入给飞行控制系统。下面通过以下步骤实现无人机的着陆期望轨迹的跟踪控制：

步骤一：计算无人机进入着陆窗口时的高度差进入着陆窗口时的无人机高度为h₀＝2700m，着陆下滑期望轨迹的起始点高度为Hg(0)＝3000m，则高度差为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔH}}=h_0-\mathrm{Hg}\left(0\right)=2700m-3000m=-300m$

步骤二：根据生成新高度给定指令Hg_real，选取参数k＝0.05、门限值dH_g＝10，因无人机进入着陆窗口时高度差Δh：

Δh＝3000m-2700m＝300m

可知

|Δh|＞10

则根据生成新高度给定指令Hg_real为：

$H{g}_{\mathrm{real}}=\mathrm{Hg}\left(D_{\mathrm{togo}}\right)-300+0.05{\∫}_0^t\mathrm{\Δhdt}$

当高度差|Δh|≤10时，新高度给定指令Hg_real为：

Hg_real＝Hg(D_togo)

步骤三：确定输入给飞行控制系统的引导信号

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δh}}={\mathrm{Hg}}_{\mathrm{real}}-h$

步骤四：将得到的引导信号输出至飞行控制系统的外回路，并重复步骤二和步骤三，引导无人机实现着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。

图5给出了实例中应用本发明当参数选取为k＝0.03、dH_g＝0.5时的着陆轨迹，图6给出了实例中应用本发明当参数选取为k＝0.05、dH_g＝10时的着陆轨迹。对比两个仿真图可知，图6中无人机的轨迹跟踪曲线在t＝30s时新高度给定指令Hg_real已与期望轨迹Hg(D_togo)重合优于图5中无人机的轨迹跟踪曲线。因此，参数k和门限值dH_g的选取，对与无人机的着陆轨迹跟踪至关重要。通常，希望无人机在进入拉平段前跟踪上期望轨迹，这样有利于接地时刻各状态达到技术指标要求。

Claims (3)

1.一种无人机着陆下滑初始段的引导方法，其特征在于：

步骤一：计算无人机进入着陆窗口时的高度差

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔH}}=h_0-\mathrm{Hg}\left(0\right)$

其中，h₀为无人机进入着陆窗口时刻的实际高度；Hg(0)为无人机进入着陆窗口时刻D_togo为0时的着陆下滑期望轨迹高度；

步骤二：根据生成新高度给定指令Hg_real：

${\mathrm{Hg}}_{\mathrm{real}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Hg}\left(D_{\mathrm{togo}}\right)+\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔH}}+k{\∫}_0^t\mathrm{\Δhdt}& \left(\right|\mathrm{\Δh}|>d{H}_g)\\ \mathrm{Hg}\left(D_{\mathrm{togo}}\right)& \left(\right|\mathrm{\Δh}|\≤d{H}_g)\end{array}\right.$

式中，t为无人机进入着陆窗口后的飞行时间，无人机进入着陆窗口的时刻定义为t＝0；Hg(D_togo)为着陆下滑期望轨迹高度；Δh＝Hg(D_togo)-h为着陆下滑期望轨迹高度Hg(D_togo)与实际高度h的差值；k为衰减速率；dH_g为生成新高度给定指令Hg_real的门限值；

步骤三：确定输入给飞行控制系统的引导信号

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δh}}={\mathrm{Hg}}_{\mathrm{real}}-h$

步骤四：将得到的引导信号输出至飞行控制系统的外回路，并重复步骤二和步骤三，引导无人机实现着陆下滑期望轨迹的跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的一种无人机着陆下滑初始段的引导方法，其特征在于：所述的衰减速率的取值范围为0.03～0.1。

3.根据权利要求1所述的一种无人机着陆下滑初始段的引导方法，其特征在于：所述的门限值dH_g的取值范围为0.5m～10m。