CN105573340B - 一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法，无人机在飞行过程中，采用GPS导航信息合成出无人机当前的地速方向，控制无人机地速方向对准目标航路点；根据无人实时的机侧向航迹偏差，采用增益负反馈修正侧向的航迹偏差；根据无人机实时的侧向航迹偏差，采用可变的增益系数，生成修正指令，从而大大提高了无人机抗侧风扰动的能力，并能有效提高无人机航迹跟踪速度和精度。其解决了现有固定翼无人机在空中巡航的过程中，由于侧风扰动，导致航迹跟踪精度不够高，容易出现无人机横侧向的振荡，影响飞行稳定和安全的问题。
Description
技术领域：
本发明属于无人机技术领域，特指一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法。
背景技术：
当前无人机技术迅猛发展，远距离侦查监视，定点打击，航空测绘等任务都需要无人机具备精确航迹跟踪的能力，各种无人机航迹跟踪算法也受到了海内外众多专家学者的研究和关注。目前广泛使用的航迹跟踪算法主要有等角模式制导方法、胡萝卜追踪算法、非线性算法、矢量场算法等，这些方法都较易于实现，各有优缺点，控制方法和控制效果也不尽相同。
大气环境中风的扰动无处不在，而且绝大多数时候都在不规则的变化，最典型的有突风和风切变，所以对于航迹跟踪算法最基本的要求是不仅要能在有风的扰动的情况下保证航迹跟踪的精确性，还要求有鲁棒性。随着无人机单兵化，小型化的不断发展，对于小型无人机侧风干扰下精确航迹跟踪能力的需求会不断提高，航迹跟踪算法还需要进一步被研究和完善。
发明内容
在现有的等角模式制导方法下，固定翼无人机在空中巡航的过程中，由于侧风扰动，导致航迹跟踪精度不够高，容易出现无人机横侧向的振荡，影响飞行稳定和安全。本发明针对上述问题，在现有的等角模式制导算法上进行了改进，提出了一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法。其在飞行过程中，采用GPS导航信息合成出无人机当前的地速方向，控制无人机地速方向对准目标航路点；根据无人实时的机侧向航迹偏差，采用增益负反馈修正侧向的航迹偏差；根据无人机实时的侧向航迹偏差，采用可变的增益系数，生成修正指令，从而大大提高了无人机抗侧风扰动的能力，并能有效提高无人机航迹跟踪速度和精度。
本发明的技术方案是：
一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法，其特征在于，无人机在飞行过程中，采用GPS导航信息合成出无人机实时地速方向，控制无人机地速方向对准目标航路点，根据无人实时的机侧向航迹偏差，采用增益负反馈修正侧向的航迹偏差，包括以下步骤：
S1，读取无人机当前的GPS坐标与自驾仪系统预设的航点GPS坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的相对坐标。
S2，根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标计算目标航向角。
S3，读取无人机当前的GPS导航信息中的X轴速度和Y轴速度，通过计算得到地面坐标系下无人机实时地速方向，即无人机实时航迹角。
S4，用目标航向角与航迹角做差，得到航向角偏转指令。
S5，根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标，计算无人机相对于航迹的侧向航迹偏差。
S6，根据无人机实时的侧向航迹偏差，侧向航迹偏差乘以增益系数K得到航向角修正指令；其中增益系数K为可变的增益系数，其采用可变的增益系数赋值的方法进行赋值，例如分段式赋值。增益系数分段式赋值方法如图2所示。
S7，航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令。
与现有技术相比，本发明的优点是：
通过采用GPS导航信息合成的无人机地速方向，放宽对于制导过程中无人机航向角的约束，直接控制无人机地速方向对准目标航路点，可以很好的抵抗侧风的扰动，减小航迹偏差，使无人机保持预设航迹；对侧向航迹偏差采用增益负反馈的控制器，能够有效提高航迹跟踪速度；根据当前无人机的航迹偏差，采用可变的增益系数赋值的方式，根据连续函数计算出对应的增益系数，生成航迹偏差修正指令，能够加快偏差收敛速度并避免产生振荡，可以有效提高航迹跟踪精度，提高无人机执行任务的精度水平。
附图说明：
图1为本发明的流程图；
图2为分段式增益系数赋值的取值示意图。
图2中，横坐标e表示偏差，即预设值与实际值的差，纵坐标表示增益系数K，随着偏差的不断减小，增益系数由极小值逐渐增大，最后稳定到极大值。emin，emax分别为5和50，Kmin，Kmax分别为0.012和0.048。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参照图1，为本发明的流程图，如图1所示，一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法，步骤如下：
S1，读取无人机当前的GPS坐标与自驾仪系统预设的航点GPS坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的相对坐标。
其中，lon和lat分别是GPS坐标中的经度和纬度，lon′和lat′是相对坐标的参照基准点的经度和纬度，通常以起飞点为基准点，R为地球半径。
S2，根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标计算目标航向角。
Heading＝atan2(Δx,Δy)
其中，xe和ye是无人机当前位置在地面坐标系下的相对坐标，xa和ya是目标航路点的相对坐标，Heading是目标航向角。
S3，读取无人机当前的GPS导航信息中的X轴速度和Y轴速度，通过计算，得到地面坐标系下无人机实时地速方向。
gpsheading＝atan2(Vx,Vy)
其中，Vx和Vy分别是无人机的X轴速度和Y轴速度，gpsheading是地面坐标系下无人机实时航迹角。
S4，用目标航向角与航迹角做差，得到航向角偏转指令Yaw1。
Yaw1＝Heading-gpsheading
S5，根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标，计算无人机相对于航迹的侧向航迹偏差d。
其中，xb和yb是上一个目标航路点的相对坐标。
S6，根据侧向航迹偏差，采用可变的增益系数赋值的方法，例如分段式赋值，计算增益系数K，乘以航迹偏差，得到航向角修正指令Yaw2。增益系数分段式赋值方法如图2所示。emin，emax分别为5和50，Kmin，Kmax分别为0.012和0.048。
Yaw2＝K·d
S7，航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令Yaw。
Yaw＝Yaw1+Yaw2。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (1)
1.一种固定翼无人机抗侧风的飞行控制方法，其特征在于，在飞行过程中，采用GPS导航信息合成出无人机实时地速方向，控制无人机地速方向对准目标航路点，根据无人机实时的侧向航迹偏差，采用增益负反馈修正侧向的航迹偏差，包括以下步骤：
S1：读取无人机当前的GPS坐标与自驾仪系统预设的航点GPS坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的相对坐标；
其中，lon和lat分别是GPS坐标中的经度和纬度，lon′和lat′是相对坐标的参照基准点的经度和纬度，以起飞点为参照基准点，R为地球半径；
S2：根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标计算目标航向角；
Heading＝atan2(Δx,Δy)
其中，xe和ye是无人机当前位置在地面坐标系下的相对坐标，xa和ya是目标航路点的相对坐标，Heading是目标航向角；
S3：读取无人机当前的GPS导航信息中的X轴速度和Y轴速度，通过计算得到地面坐标系下无人机实时地速方向，即无人机实时航迹角；
gpsheading＝atan2(Vx,Vy)
其中，Vx和Vy分别是无人机的X轴速度和Y轴速度，gpsheading是地面坐标系下无人机实时航迹角；
S4：用目标航向角与航迹角做差，得到航向角偏转指令；
Yaw1＝Heading-gpsheading
S5：根据无人机和预设航点在地面坐标系下的相对坐标，计算无人机相对于航迹的侧向航迹偏差d；
其中，xb和yb是上一个目标航路点的相对坐标；
S6：根据无人机实时的侧向航迹偏差，侧向航迹偏差乘以增益系数K得到航向角修正指令Yaw2；增益系数K采用基于偏差变化的分段式赋值；e表示偏差，即预设值与实际值的差；随着偏差e的不断减小即e的取值由emax不断减小至emin，增益系数K由极小值Kmin逐渐增大，最后稳定到极大值Kmax；emin，emax分别为5和50，Kmin，Kmax分别为0.012和0.048；
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