CN104238580A - 一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，采用无人机气压高度和无线电高度互补滤波得到信噪比较高的高度信号作为无人机低空飞行高度控制源，飞行高度信号能够滤除高频的地形影响，又能够较好的对地形进行跟踪，可以对丘陵地形以及小坡度山区地形进行有效的航空物探飞行作业工作，使无人机能够以超低空沿地形起伏飞行并能够较好的对地形进行跟踪，有效的规避障碍，无人机平稳飞行可获取航空物探作业航磁系统、航放系统高质量勘探数据，提高了物探的安全性。本方法可行性已经经过了实际试验验证并取得了圆满成功，相关飞行控制方法具有示范应用效果，为大范围无人机航空物探应用奠定了基础。

Description

一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法

技术领域

本发明涉及一种低空飞行控制方法，尤其涉及一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，属于无人机航空物探作业领域。

背景技术

目前，航空物探(航空地球物理勘探，是物探方法的一种。它是通过飞机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化，研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法。)以有人机为主要载体，在取得可喜效果的同时面临的问题也日益凸显，而无人机在很大程度上成为解决相关问题的有效途径。其一，有人机危险性大。为了取得好的地质矿产探测效果，航空物探方法要求飞行高度很低，但超低空飞行危险性高。近年来，随着航空物探作业量的增加，航空物探作业飞机出现事故的概率也在增加。2008年6月一架航空物探作业飞机在内蒙失事，三死一伤；2011年3月一架航空物探作业飞机在新疆失踪，机上三人下落不明；2011年11月，一架航空物探作业飞机在河北唐山迫降，所幸没有人员伤亡。而无人机人身伤亡的概率极低，大大降低了航空物探作业的风险。其二，有人机成本极高。航空物探项目总经费超过65％用于租机，严重制约了先进航空物探系统的自身技术发展和大规模推广应用。尤其是具有“多、小、快、灵”特点的小面积大比例尺探测任务常常因为航空物探过高的门槛被拒之门外。与有人机相比，无人机整体上有明显的成本优势，为大规模推广提供了可能性。其三，有人机灵活性差。有人机对于起降条件、地勤支持等要求很高，野外作业能力差；无人机起降条件要求低，准备时间短，无人机可以工作在低速状态更有利于航空物探数据采集，并且具有更强的高原作业能力。其四，有人机管控严格。因为我国对有人机管制严格，空域申请和航空物探飞机放飞手续繁杂，常常不能按时完成航空物探任务。我国已经在酝酿放开低空空域管制，对于无人机开发和应用是极大的促进。另外，无人机可以在夜间飞行，大大提高了飞行效率。

然而，航空物探作业规定无人机飞行中要以一定的离地高度飞行，飞行中对地高度的误差不允许过大。因此，将无人机应用于航空物探领域，面临的最大困难是需要无人机飞行平台能够以超低空沿地形起伏飞行，需要无人机能够较好的对地形进行跟踪并稳定飞行，毋庸置疑，想要将无人机应用于航空物探，其有效的低空飞行控制方法至关重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：在航空物探领域，为了取得好的地质矿产探测效果，航空物探方法要求飞机飞行高度很低、飞行平稳、波动小，本发明提供一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，可以对丘陵地形以及小坡度山区地形进行有效的航空物探飞行作业工作，使无人机能够以超低空沿地形起伏飞行并能够较好的对地形进行跟踪，有效的规避障碍，安全性高。

本发明的技术解决方案是：一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，步骤如下：

(1)在进入低空飞行前，无人机采用气压高度数据作为高度信号源进行飞行控制；

(2)当地面控制无人机进入低空飞行模式后，无人机先切入平飞模态，使无人机按照给定的恒定速度进行飞行，然后无人机自动转入下滑模态，按照负4.5度下滑轨迹角进行下滑；

(3)在下滑模态中，无人机程序自动判断无线电高度表的数据，当无线电高度表的数值低于600米时，无人机自动切换高度信号源由气压高度数据变为融合高度值；

(4)无人机按照融合高度值作为高度信号源进行飞行控制，飞行控制程序根据当前的融合高度值和负4.5度下滑轨迹角重新计算下滑轨迹线，并将无人机的高空飞行控制律切换至低空飞行控制律，并判断当前的融合高度值是否达到拉起段起始点的高度值，如果融合高度值达到拉起段起始点高度值，无人机开始按照跟踪指数曲线下滑，当融合高度值等于给定低空飞行高度后无人机进入低空巡航飞行模式；

(5)在低空巡航飞行过程中，无人机实时对无线电高度表的数据进行程序判断，如果无线电高度表的数据低于40m且持续2-3s，则无人机自动转入爬升模态，同时退出融合高度值作为高度信号源控制模式；当无线电高度表的数据高于低空巡航给定高度且持续4-5s，无人机自动按照步骤(4)的跟踪指数曲线进行飞行，进入低空巡航飞行模式直至完成航空物探任务；

(6)地面控制无人机退出低空巡航飞行模式并返回。

所述融合高度值的获取方式为：无人机利用气压高度表测量气压高度，并对气压高度信息进行高通滤波，滤除其中的零位误差信号，利用无线电高度表测量无线电高度，并对无线电高度信息进行低通滤波，滤除其中的高频噪声信号，将滤除零位误差信号的气压高度信息与滤除高频噪声信号的无线电高度信息进行融合得到融合高度数据。

所述跟踪指数曲线为：

$H=\left\{\begin{array}{cc}\tan (\mathrm{\&gamma;}/57.3)\&times;x+H_0& x<\mathrm{Xter}\\ H_{\_\mathrm{cmd}}+(H_{\_\exp }-H_{\_\mathrm{cmd}})\&times;e^{(-\frac{x-\mathrm{Xter}}{v\&times;\mathrm{\&tau;}})}& \mathrm{Xter}<x<\mathrm{Xaim}\\ H\_\mathrm{cmd}& x>\mathrm{Xaim}\end{array}\right.$

式中，x为无人机切入下滑模态时刻起向前飞行的水平距离，τ为跟踪指数曲线的时间常数，γ为下滑轨迹角，V为跟踪指数曲线的飞行速度，H₀为直线下滑起始高度，H_{_exp}为拉起段起始高度值，H_{_cmd}为低空巡航飞行高度；Xter为跟踪指数拉起段在水平面上位置，Xaim为低空巡航飞行起始点，其中H_{_exp}-H_{_cmd}＝15ms。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提出的无人机低空飞行控制方法，采用无人机气压高度和无线电高度互补滤波得到信噪比较高的高度信号作为无人机低空飞行高度控制源，飞行高度信号能够滤除高频的地形影响，又能够较好的对地形进行跟踪，可以对丘陵地形以及小坡度山区地形进行有效的航空物探飞行作业工作，使无人机能够以超低空沿地形起伏飞行并能够较好的对地形进行跟踪，有效的规避障碍，无人机平稳飞行可获取航空物探作业航磁系统、航放系统高质量勘探数据，提高了物探的安全性。本方法可行性已经经过了实际试验验证并取得了圆满成功，相关飞行控制方法具有示范应用效果，为大范围无人机航空物探应用奠定了基础。

附图说明

图1是无线电高度和气压高度互补滤波原理。

图2是低空巡航切入飞行轨迹示意图。

图3是无人机下滑轨迹线轨迹剖面。

图4是本发明低空飞行控制方法流程图。

具体实施方式

无人机低空巡航飞行过程与常规的航路飞行的主要差别是切入低空巡航飞行，无人机飞行的环境会变化较大，针对飞机的控制相对较为复杂。与低空巡航飞行相关的过程可以划分为：低空巡航切入段、低空巡航段和离开低空巡航段。无人机首先需要跟踪给定的下滑轨迹线，沿轨迹剖面飞行至给定的低空巡航高度范围附近，进入低空巡航；结束飞行任务后，当需要离开低空巡航区域时，改变控制指令，将姿态和飞行高度拉起，离开低空巡航区域。

无人机高度源共有大气数据机、无线电高度表和GPS三种传感器测量输出，在低空飞行时，无人机采用气压高度和无线电高度互补滤波得到信噪比较高的高度信号。要求滤波器能够滤除由地形引起的高频噪声，又能够及时的反映地形变化，为无人机跟踪地形飞行提供可靠的高度信号源，使无人机的低空飞行符合航空物探的飞行要求(飞行平台沿低空平稳飞行，同时具有一定的壁障能力)。

整个低空巡航飞行过程具体可以细化为：高空平飞段、过渡飞行段、拉平段、低空巡航段以及低空飞行切出段五个阶段。由于近地飞行时，气压高度的零漂对飞行安全有很大的影响，需要将高度信息源由原来的气压高度切换至通过信息融合得到的高度，以获得更加精确且稳定的高度信号。所以在跟踪直线下滑的过程中，当无人机进入600m的气压高度差范围内，认为已经进入低空飞行区域，进行高度信息源的切换操作。

如图1所示，为无线电高度和气压高度互补滤波原理。无人机共有大气数据机、无线电高度表和GPS三种传感器测量输出的高度信息。在低空飞行时，采用气压高度和无线电高度互补滤波得到信噪比较高的高度信号。要求滤波器能够滤除由地形引起的高频噪声，又能够及时的反映地形变化，为无人机跟踪地形飞行提供可靠的高度信号源，使无人机的低空飞行符合航空物探的飞行要求。

大气数据机测量的气压高度是相对于基准面(通常是海平面或者机场)的高度，气压高度信号H_b在高频范围是一种很有用的信号，然而其稳态值与地面的气压和温度有关，故这种信号中含有零位误差B。

H_b(s)＝H(s)+B   (1)

与气压测高不同，无线电高度表提供的是飞机距地面的距离，拥有较高的精度。无线电高度信号H_r中不含零位误差，但视地形和地面性质，含有强的高频噪声信号(V)。

H_r＝H(s)+V(s)   (2)

采用互补滤波器对无线电高度和气压高度进行融合，滤波后得到的高度信号H_f由式(3)给出。

$H_f=H_{\mathrm{bar}}\left(s\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&tau;s}}{\mathrm{\&tau;s}+1}+H_{\mathrm{RH}}\left(s\right)\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{\&tau;s}+1}---\left(3\right)$

因此，常值偏差B经过一个高通滤波器后得到抑制，高频噪声V经过一个低通滤波器后被抑制，所以得到一个较好的飞机相对地面的高度估计值。

在互补滤波器的设计中，时间常数τ的选择至关重要，在无人机航空物探低空飞行中，选择时间常数τ＝5，此时滤波器能够滤除由地形引起的高频噪声，又能够对低频的地形变化进行及时的跟踪。

融合高度值的获取方式为：无人机利用气压高度表测量气压高度，并对气压高度信息进行高通滤波，滤除其中的零位误差信号，利用无线电高度表测量无线电高度，并对无线电高度信息进行低通滤波，滤除其中的高频噪声信号，将滤除零位误差信号的气压高度信息与滤除高频噪声信号的无线电高度信息进行融合得到融合高度数据。

如图2所示，为无人机低空巡航切入飞行轨迹示意图。整个低空巡航飞行过程具体可以细化为：高空平飞段、过渡飞行段、拉平段、低空巡航段以及低空飞行切出段五个阶段。其中前四个段为低空巡航飞行中较为重要的阶段。

1)高空平飞段。无人机在正常航路飞行时，当接收到低空巡航指令后，首先调整姿态，进入平飞模态，保持当前所在高度飞行，稳定飞行状态，为接下来的过渡飞行阶段做准备。

2)过渡飞行段。过渡飞行段是高空平飞和低空巡航的转变阶段，该过程复杂且至关重要。无人机按照给定的轨迹剖面，以一定的飞行轨迹角和飞行速度，下滑至低空巡航高度范围附近。此外，为确保低空巡航飞行时高度信息的准确与稳定，在过渡段的飞行中，需要控制切换高度信息源。

3)拉平段。为了保证直线下滑段和低空巡航段飞行曲线的光滑连接，需要进行下滑轨迹的拉平。在此段的飞行中无人机不仅要拉平飞行轨迹，而且还需要调整飞行姿态，为进入低空巡航的飞行做准备。

4)低空巡航段。低空巡航段的飞行中，无人机根据给定的高度指令平飞，不仅要很好的跟踪地形，而且还需要长时间的稳定飞行。

5)低空巡航切出段。无人机在低空巡航区域飞行一段时间后，完成飞行任务，需要再次将飞行高度拉起，飞出低空巡航区域，回到常规飞行高度。

如图3所示，为无人机下滑轨迹线轨迹剖面。图中，A点为过渡飞行段直线下滑的起始点，B点为拉起段起始点，根据图3中几何关系，可以得到跟踪指数曲线描述为：

$H=\left\{\begin{array}{cc}\tan (\mathrm{\&gamma;}/57.3)\&times;x+H_0& x<\mathrm{Xter}\\ H_{\_\mathrm{cmd}}+(H_{\_\exp }-H_{\_\mathrm{cmd}})\&times;e^{(-\frac{x-\mathrm{Xter}}{v\&times;\mathrm{\&tau;}})}& \mathrm{Xter}<x<\mathrm{Xaim}\\ H\_\mathrm{cmd}& x>\mathrm{Xaim}\end{array}\right.$

式中，x为无人机切入下滑模态时刻起向前飞行的水平距离，τ为跟踪指数曲线的时间常数，γ为下滑轨迹角，V为跟踪指数曲线的飞行速度，H₀为直线下滑起始高度，H_{_exp}为拉起段起始高度值，H_{_cmd}为低空巡航飞行高度；Xter为跟踪指数拉起段在水平面上位置，Xaim为低空巡航飞行起始点，其中H_{_exp}-H_{_cmd}＝15ms。

如图4所示，本发明应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，步骤如下：

(1)在进入低空飞行前，无人机采用气压高度数据作为高度信号源进行飞行控制；

(2)当地面控制无人机进入低空飞行模式后，无人机先切入平飞模态，使无人机按照给定的恒定速度进行飞行，然后无人机自动转入下滑模态，按照负4.5度下滑轨迹角进行下滑；

(3)在下滑模态中，无人机程序自动判断无线电高度表的数据，当无线电高度表的数值低于600米时，无人机自动切换高度信号源由气压高度数据变为融合高度值；

(4)无人机按照融合高度值作为高度信号源进行飞行控制，飞行控制程序根据当前的融合高度值和负4.5度下滑轨迹角重新计算下滑轨迹线，并将无人机的高空飞行控制律切换至低空飞行控制律，并判断当前的融合高度值是否达到拉起段起始点的高度值，如果融合高度值达到拉起段起始点高度值，无人机开始按照跟踪指数曲线下滑，当融合高度值等于给定低空飞行高度后无人机进入低空巡航飞行模式；

(5)在低空巡航飞行过程中，无人机实时对无线电高度表的数据进行程序判断，如果无线电高度表的数据低于40m且持续2-3s，则无人机自动转入爬升模态，同时退出融合高度值作为高度信号源控制模式；当无线电高度表的数据高于低空巡航给定高度且持续4-5s，无人机自动按照步骤(4)的跟踪指数曲线进行飞行，进入低空巡航飞行模式直至完成航空物探任务；

(6)地面控制无人机退出低空巡航飞行模式并返回。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)在进入低空飞行前，无人机采用气压高度数据作为高度信号源进行飞行控制；

(2)当地面控制无人机进入低空飞行模式后，无人机先切入平飞模态，使无人机按照给定的恒定速度进行飞行，然后无人机自动转入下滑模态，按照负4.5度下滑轨迹角进行下滑；

(3)在下滑模态中，无人机程序自动判断无线电高度表的数据，当无线电高度表的数值低于600米时，无人机自动切换高度信号源由气压高度数据变为融合高度值；

(4)无人机按照融合高度值作为高度信号源进行飞行控制，飞行控制程序根据当前的融合高度值和负4.5度下滑轨迹角重新计算下滑轨迹线，并将无人机的高空飞行控制律切换至低空飞行控制律，并判断当前的融合高度值是否达到拉起段起始点的高度值，如果融合高度值达到拉起段起始点高度值，无人机开始按照跟踪指数曲线下滑，当融合高度值等于给定低空飞行高度后无人机进入低空巡航飞行模式；

(5)在低空巡航飞行过程中，无人机实时对无线电高度表的数据进行程序判断，如果无线电高度表的数据低于40m且持续2-3s，则无人机自动转入爬升模态，同时退出融合高度值作为高度信号源控制模式；当无线电高度表的数据高于低空巡航给定高度且持续4-5s，无人机自动按照步骤(4)的跟踪指数曲线进行飞行，进入低空巡航飞行模式直至完成航空物探任务；

(6)地面控制无人机退出低空巡航飞行模式并返回。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，其特征在于：所述融合高度值的获取方式为：无人机利用气压高度表测量气压高度，并对气压高度信息进行高通滤波，滤除其中的零位误差信号，利用无线电高度表测量无线电高度，并对无线电高度信息进行低通滤波，滤除其中的高频噪声信号，将滤除零位误差信号的气压高度信息与滤除高频噪声信号的无线电高度信息进行融合得到融合高度数据。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机航空物探的低空飞行控制方法，其特征在于：所述跟踪指数曲线为：

$H=\left\{\begin{array}{cc}\tan (\mathrm{\&gamma;}/57.3)\&times;x+H_0& x<\mathrm{Xter}\\ H_{\_\mathrm{cmd}}+(H_{\_\exp }-H_{\_\mathrm{cmd}})e^{(-\frac{x-\mathrm{Xter}}{V\&times;\mathrm{\&tau;}})}& \mathrm{Xter}<x<\mathrm{Xaim}\\ H_{\_\mathrm{cmd}}& x>\mathrm{Xaim}\end{array}\right.$

式中，x为无人机切入下滑模态时刻起向前飞行的水平距离，τ为跟踪指数曲线的时间常数，γ为下滑轨迹角，V为跟踪指数曲线的飞行速度，H₀为直线下滑起始高度，H_{_exp}为拉起段起始高度值，H_{_cmd}为低空巡航飞行高度；Xter为跟踪指数拉起段在水平面上位置，Xaim为低空巡航飞行起始点，其中H_{_exp}-H_{_cmd}＝15ms。