CN105912015B - 一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法 - Google Patents

一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法,通过本发明提供的自动驾驶仪的硬件架构和控制器中的控制制导算法,解决多轴和固定翼的协调控制问题,实现了复合翼无人机的全状态全自主航线飞行。

Description

一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法
技术领域
本发明涉及飞行器控制技术领域,特别是涉及一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法。
背景技术
复合翼无人机是一种固定翼无人机垂直起降的解决方案,其以常规固定翼飞行器为基础,增加多轴动力单元,在起降及低速状态下按照多轴模式飞行,通过多个螺旋桨产生的拉力克服重力和气动阻力进行飞行;而在高速状态下,按照固定翼模式飞行,通过气动升力克服重力,通过拉力向前的螺旋桨克服气动阻力实现飞行。与其他方式相比,复合翼垂直起降方案无需额外机构,结构简单;不存在大幅度飞行姿态变化,导航解算容易。因此,复合翼垂直起降方案是目前可靠性最高,技术风险最低的长航时垂直起降无人机方案,成为工业无人机研发领域的热点。
然而,任何一种垂直起降长航时无人机都面临着操纵和控制问题,特别是在速度和姿态变化较大的过渡阶段,这个问题更为明显。复合翼垂直起降无人机的过渡阶段就是多轴模式和固定翼模式相互切换的过程,也是飞行速度变化较大的阶段,从悬停时空速为零加速到数十米每秒的续航速度的过程,是气动舵面产生控制力矩逐渐增大,而多轴产生控制力矩的能力逐渐减小的过程,由于这种变化的幅度较大,目前只能采用两套不同的自动驾驶仪,分别控制多轴模式和固定翼模式。
这种方式的问题在于,控制协调能力差。由于传感器的噪声水平和动态响应特性不同,两套自动驾驶仪的接收的飞行器状态测量值有差异,这在过渡阶段会导致多轴产生的控制力和力矩与气动舵面产生的控制力和力矩抵触,导致无人机的响应控制指令的精度变差,容易产生控制诱发振荡。
同时,无论两套自动驾驶仪(或者两台CPU)如何架构,需要相互通信是无法避免的,一定程度上增加了从形成状态数据到相应的作动器作动之间的时间延迟,由于飞行速度较低的情况下多轴在无人机行为中占据的权重较高,而多旋翼有是一种中立稳定的动力学系统,因此时间延迟会导致低速状态下控制精度下降、控制系统裕度变小等问题。
此外,过渡阶段的制导逻辑也是复合翼无人机的技术难点,飞行航迹指令、飞行速度指令、飞行高度指令、飞行姿态指令与多轴的螺旋桨和固定翼的气动舵面的作动指令之间如何建立映射关系才能保证安全和精准的完成过渡阶段的可控飞行,目前尚无可供实用的解决方案,因此,目前的过渡阶段都需要具有航模经验的操作手肉眼观测无人机的飞行状态,通过遥控器直接操纵多轴螺旋桨转速和固定翼气动舵面偏角,自动驾驶仪在过渡阶段只提供一定的阻尼作用。
由于上述两个原因,复合翼垂直起降无人机还无法实现全自主全状态飞行,阻碍了复合翼垂直起降无人机的实用化程度。
发明内容
针对上述现有技术中复合翼垂直起降无人机还无法实现全自主全状态飞行,阻碍了复合翼垂直起降无人机的实用化程度的问题,本发明提供了一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法,通过自动驾驶仪的硬件架构和控制器中的控制制导算法,解决多轴和固定翼的协调控制问题,实现复合翼无人机的全状态全自主航线飞行。
为解决上述问题,本发明提供的一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法通过以下技术要点来解决问题:一种复合翼无人机自动驾驶仪,包括控制器、信号采集模块及作动器信号输出模块,所述控制器的信号输入端与信号采集模块的数据输出端相连,作动器信号输出模块的信号采集端连接于控制器的数据输出端上,所述控制器包括一块数据处理器,还包括数据融合模块,在信号采集模块中,使用不止一个采集单元采集同一种信号时,针对此信号的采集单元的信号输出端均连接在数据融合模块的输入端上,数据融合模块将所得数据进行数据融合得到唯一的状态数据后,再将状态数据传送给数据处理器。
具体的,以上驾驶仪方案中,设置的控制器用于数据处理,设置的信号采集模块用于采集无人机飞行过程中的各种参数,设置的作动器信号输出模块用于产生无人机动作产生控制数据。
本案中,在信号采集模块中,使用不止一个采集单元采集同一种信号时,针对得到的不止一个结果,采用数据融合模块进行数据融合后,向数据处理器中输入的单一的状态测量结果,这样,就使得数据处理器用于产生作动器信号输出模块的状态测量值不会出现多来源现象,从测量环节保证了作动器输出信号产生的控制力和力矩不会相互抵触。优选所述数据融合模块为卡尔曼滤波模块。
进一步的,本案中仅采用了一块数据处理器,相较于现有驾驶仪,这样可有效避免因为多块数据处理器之间通信造成的时间延迟。
作为本领域技术人员,以上卡尔曼滤波模块的功能可以由数据处理器完成,也可以是区别于数据处理器的单独模块。
进一步的,自动驾驶仪的构架中,针对信号采集模块中的任意一个采集单元,也可通过卡尔曼滤波模块进行数据融合后产生唯一的状态测量结果后再通过数据处理器进行数据处理。
作为以上所述的复合翼无人机自动驾驶仪进一步的技术方案:作为所述信号采集模块的具体实现方式,所述信号采集模块包括至少一个惯性传感器模块、至少一个动静压传感器模块、至少一个磁场传感器模块、至少一个GPS模块,所述惯性传感器模块用于测量加速度和角速度,所述动静压传感器模块用于测量动压和静压,所述GPS模块:用于测量载波原始信号,或者测量载波原始信号后完成伪距观测值计算,所述磁场传感器模块用于测量磁场强度。以上信号采集模块的具体实现方案可采集无人机飞行过程中的多个参数,本驾驶仪以以上信号采集模块采集的参数为无人机控制的依据,优选的,所述GPS模块为实时差分GPS模块,且GPS模块的更新频率不低于5Hz,这样,以便于得到良好的无人机控制实时性和良好的无人机控制精度。
为满足现有具有多个气动舵面、具有多个垂直螺旋桨的复合翼无人机控制需要,所述作动器信号输出模块包括多个信号输出端,作动器信号输出模块的信号输出端包括气动舵面控制端、垂直螺旋桨控制端、水平螺旋桨控制端,且气动舵面控制端、垂直螺旋桨控制端的数量均不止一个,垂直螺旋桨控制端的控制信号更新频率高于其他信号输出端的控制信号更新频率。由于低速情况下复合翼无人机的动力学特性偏向于多旋翼,阻尼较小且中立稳定,垂直螺旋桨控制端控制输出的频率较高才能保证控制效果;而高速情况下复合翼无人机的动力学特性偏向于固定翼,具有静稳定性和动态稳定性,垂直螺旋桨控制端及水平螺旋桨控制端控制频率可以适当降低,故采用以上方案,可充分利用自动驾驶仪的数据处理能力,实现对无人机最有效的控制。作为具体的实现方式,本自动驾驶仪用于控制设置有四个垂直螺旋桨、一个水平螺旋桨、三组气动舵面的无人机飞行控制,则作动器信号输出模块的信号输出端为八路,分别控制4根拉力方向与重力相反的垂直螺旋桨,1根拉力方向沿飞行速度方向的水平螺旋桨和3组气动舵面;水平螺旋桨和气动舵面的控制信号更新频率可设定为50Hz,而垂直螺旋桨的控制信号更新频率可设定为200Hz或400Hz。
作为一种在无人机飞行过程中,可完成检测以下至少一种无人机状态参数:检测航油使用情况、监控飞行状态下螺旋桨的工作情况、检测无人机上电池电量信息的实现方案,所述信号采集模块还包括航油油量传感器、非接触式转速传感器、电池电量传感器中的至少一个,所述航油油量传感器用于监测无人机的航油油量,所述非接触式转速传感器用于监测无人机上螺旋桨的转速,所述电池电量传感器用于监测无人机上电池的电量。本案中,若水平螺旋桨的驱动装置采用内燃机,则复合翼无人机自动驾驶仪还可包括航油油量传感器,在飞行过程中检测航油使用情况;垂直螺旋桨和水平螺旋桨均可通过电机驱动,用于电机能源的电池的工作状态可以通过电池电量传感器进行监控;由于现有复合翼无人机的动力系统设计中,由于不同的驱动方式在不同方面具有不同的性能,故通常采用电机作为垂直螺旋桨的动力部件,采用内燃机作为水平螺旋桨的动力部件,而内燃机相对于电机具有更高的故障率,故非接触式转速传感器优选用于监控飞行状态下水平螺旋桨的工作情况,以实现通过水平螺旋桨的工作状态反应内燃机的工作状态,这样,在对水平螺旋桨工作无任何影响的情况下,不仅实现了水平螺旋桨工作状态监控,同时实现了对内燃机的工作状态监控。这样,本案能够实时监控无人机动力系统状态,避免了由于动力系统工作异常导致的飞行事故。
进一步的,无人机自动驾驶仪还包括垂直螺旋桨位置传感器,便于实现:通过指令使低速转动的垂直螺旋桨锁定于指定位置,在高速飞行不需要垂直螺旋桨工作的情况下,检测垂直螺旋桨的位置,通过控制信号将垂直螺旋桨桨叶锁定在沿飞行速度的方向,达到减小气动阻力的目的。
进一步的,无人机自动驾驶仪还包括通信模块,便于实现:可通过通信模块,将地面实时向无人机发送的起飞、降落等指令上传自动驾驶仪;进一步的,以上通信模块为双向通信模块,这样,自动驾驶仪可以下传飞行器的实时飞行状态数据,便于操作者把握无人机的飞行环境、飞行状态等。
进一步的,为保证自动驾驶仪对无人机控制的实时性和控制精度,所述作动器信号输出模块的控制信号更新频率不低于50Hz。
同时,本发明还提供了一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,用于机身上设置有水平螺旋桨、三组气动舵面及多个垂直螺旋桨的复合翼无人机飞行姿态控制,各组气动舵面分别用于改变所述复合翼无人机的滚转、俯仰和偏航力矩,所述控制方法的实现依赖于以上所提供的任意一个自动驾驶仪方案,所述控制方法包括依次进行的以下步骤:
步骤一,垂直起飞;
步骤二,复合加速;
步骤三,固定翼飞行;
步骤四,复合减速;
步骤五,垂直降落;
所述复合加速步骤的实现方式为:步骤二开始的判据为无人机到达预设复合加速状态最低高度且姿态和高度稳定;
步骤二的控制方法为:操作水平螺旋桨开始工作,克服无人机气动阻力增加前向速度;
协调控制多个垂直螺旋桨转速,使飞行高度跟随高度控制指令;
协调控制多个垂直螺旋桨转速和气动舵面偏转角度,调整无人机姿态,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角不超过无人机失速攻角的30%。
以上控制方法技术方案中,明确了无人机飞行阶段和相应的阶段切换判据,容易校验和掌握,提高了复合翼无人机的用户体验,同时,在复合加速状态下采用较小的俯仰姿态指令,使无人机气动迎角较小,在无人机飞行姿态变换时,保证无人机气流稳定,气动力和力矩的绝对值和变化率都较小,即扰动较小,有利于姿态控制,从而克服现有技术中无人机飞行的过渡阶段都需要具有航模经验的操作手肉眼观测无人机的飞行状态,通过遥控器直接操纵多轴螺旋桨转速和固定翼气动舵面偏角,自动驾驶仪在过渡阶段只提供一定的阻尼作用的缺陷,实现复合翼无人机全自主全状态飞行的发明目的。
作为以上所述的复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法进一步的技术方案,所述复合减速步骤的实现方法为:开始的判据为无人机达到五边降落航线的侧风边起点;
步骤四的具体控制方法为:在侧风边起点盘旋降高至预设盘旋最低高度,之后调整航向,依次通过五边降落航线的侧风边和下风边,在此过程中降低飞行速度,之后进入五边降落航线的底边,在底边降低高度和速度,在底边终点达到预设降落高度,而后进入五边降落航线的进场边,进场边中段位置设置决断窗口,所述决断窗口为竖直矩形,所述竖直矩形法线为当前航线的水平投影,所述竖直矩形左右两边沿当前航线水平投影左右对称,所述竖直矩形上边的高度为预设决断高度上限,所述竖直矩形下边的高度为预设决断高度下限;
若无人机通过决断窗口且在速度不大于预设决断速度,则开始以下控制操作:垂直螺旋桨开始工作,水平螺旋桨停转,协调控制垂直螺旋桨转速和3组气动舵面偏转角,调整无人机姿态、速度和高度,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角介于50%至80%之间;
若无人机未进入决断窗口或进入决断窗口的速度大于预设决断速度,则进行以下控制操作:垂直螺旋桨保持停转,控制水平螺旋桨转速,使无人机加速爬升,重新进入侧风边起点,重复步骤四。
本案提供的控制方法中,在复合减速状态下采用决断窗口的方式判断垂直螺旋桨是否可以介入,决断窗口同时从飞行速度、飞行高度、飞行位置三个方面限定了无人机的状态,为垂直螺旋桨的介入时机提供了定量的决断判据,同时通过设置为:俯仰姿态指令使无人机的攻角介于50%至80%之间,便于实现通过无人机气动阻力和垂直螺旋桨的水平分力持续减速,在进场边终点之前达到预设的多轴可控最大速度,避免了介入过早导致的垂直螺旋桨流场不稳定出现的不可控振荡,保证了水平飞行转垂直降落的稳定性和可靠性。
所述步骤一的实现方式为:开始的判据为地面向无人机发送起飞指令;
步骤一的具体控制方法为:使水平螺旋桨处于停转状态;使气动舵面保持中立位置;协调控制多个垂直螺旋桨转速,以调整螺旋桨拉力、无人机姿态和位置,使飞行器按预设爬升速率稳定爬升。
所述步骤三的实现方式为:开始的判据为飞行速度达到预设的最小失速速度且水平螺旋桨工作正常;
步骤三的具体控制方法为:使多个垂直螺旋桨停止工作,使水平螺旋桨产生拉力抵消气动阻力,达到无人机气动升力抵消重力的目的;
控制所述3组气动舵面偏转角度,调整无人机姿态、速度、高度和位置。
为便于在无人机任意飞行状态下,通过地面发送应急指令终止当前飞行任务或通过自动驾驶仪的自动判定终止当前飞行任务,还包括在无人机任意飞行状态下、用于无人机紧迫迫降控制的紧急迫降步骤,所述紧急迫降步骤包按照以下逻辑进行:
S1:测量当前空速和地速;
S2:若步骤S1测量的地速大于多轴可控最大速度且水平螺旋桨工作正常,则进入所述步骤四和步骤五;
S3:若S2确定水平螺旋桨工作异常,则垂直动力螺旋桨立即开始工作,之后若空速不大于多轴可控最大速度且垂直螺旋桨工作正常,则直接在当前位置按预设下降速度降落地面;
S4:若在S3的基础上地速大于多轴可控最大速度,则无人机定高盘旋,降低空速至多轴可控最大速度,然后进行S3;
S5:若在S4的基础上垂直螺旋桨无法正常工作,则锁定垂直螺旋桨和水平螺旋桨,通过控制气动舵面调整无人机姿态和垂直速率滑翔降落。
进一步的,为保证无人机飞行安全,所述的预设最小失速速度不低于无人机设计失速速度的125%;所述决断速度不低于无人机设计失速速度的110%;所述决断窗口的竖直矩形的宽度不小于进场边起点飞行速度在2s达到的距离。
本发明所具有的有益效果至少包括以下效果中的一种:
1、自动驾驶仪的架构使任意一个模块或者只包括一个功能相同的传感器,或者相同功能的多个传感器先通过微控制器中的数据融合算法产生一致的状态测量结果。这样就使微控制器用于产生作动器信号输出模块的状态测量值不会出现多来源现象,从测量环节保证了作动器输出信号产生的控制力和力矩不会相互抵触。优选所述数据融合模块为卡尔曼滤波模块。
2、自动驾驶仪还增加了测量水平螺旋桨转速的非接触式转速传感器、电池电量传感器和航油油量传感器,能够实时监控动力系统状态,避免了由于动力系统工作异常导致的飞行事故。
3、复合翼无人机的控制方法采用明确的飞行阶段和相应的阶段切换判据,容易校验和掌握,提高了复合翼无人机的用户体验。
4、复合翼无人机的控制方法,在复合加速状态下采用较小的俯仰姿态指令,使无人机气动迎角较小,保证无人机气流稳定,气动力和力矩的绝对值和变化率都较小,即扰动较小,有利于姿态控制。
5、复合翼无人机的控制方法,在复合减速状态下采用决断窗口的方式判断垂直螺旋桨是否可以介入,决断窗口同时从飞行速度、飞行高度、飞行位置三个方面限定了无人机的状态,为垂直螺旋桨的介入时机提供了定量的决断判据,避免了介入过早导致的垂直螺旋桨流场不稳定出现的不可控振荡,保证了水平飞行转垂直降落的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪一个具体实施例的硬件框图;
图2为本发明所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法一个具体实施例的流程图。
图中标记分别为:100、复合翼无人机自动驾驶仪,101、控制器,102、惯性传感器模块,103、动静压传感器模块,104、磁场传感器模块,105、GPS 模块,106、作动器信号输出模块,1061、垂直螺旋桨1控制信号,1062、垂直螺旋桨2控制信号,1063、垂直螺旋桨3控制信号,1064、垂直螺旋桨4控制信号,1065、水平螺旋桨控制信号,1066、气动舵面1控制信号,1067、气动舵面2控制信号,1068、气动舵面3控制信号;2001、完成飞前检查,2011、垂直起飞开始判据,2012、垂直起飞操作,2021、复合加速开始判据,2022、复合加速操作,2031、固定翼飞行开始判据,2032、固定翼飞行操作,2041、复合减速开始判据,2042、复合减速操作,2051、垂直降落开始判据,2052、垂直降落操作,206、停飞状态。
具体实施方式
本发明提供了一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法,用于针对:现有技术中复合翼垂直起降无人机还无法实现全自主全状态飞行,阻碍了复合翼垂直起降无人机的实用化程度的问题,通过本发明提供了一种复合翼无人机自动驾驶仪及其采用的控制方法,通过自动驾驶仪的硬件架构和控制器中的控制制导算法,解决多轴和固定翼的协调控制问题,实现复合翼无人机的全状态全自主航线飞行。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明,但是本发明不仅限于以下实施例:
实施例1:
如图1所示,一种复合翼无人机自动驾驶仪100,包括控制器101、信号采集模块及作动器信号输出模块106,所述控制器101的信号输入端与信号采集模块的数据输出端相连,作动器信号输出模块106的信号采集端连接于控制器101的数据输出端上,所述控制器101包括一块数据处理器,还包括数据融合模块,在信号采集模块中,使用不止一个采集单元采集同一种信号时,针对此信号的采集单元的信号输出端均连接在数据融合模块的输入端上,数据融合模块将所得数据进行数据融合得到唯一的状态数据后,再将状态数据传送给数据处理器。
具体的,以上驾驶仪方案中,设置的控制器101用于数据处理,设置的信号采集模块用于采集无人机飞行过程中的各种参数,设置的作动器信号输出模块106用于产生无人机动作产生控制数据。
本案中,在信号采集模块中,使用不止一个采集单元采集同一种信号时,针对得到的不止一个结果,采用数据融合模块进行数据融合后,向数据处理器中输入的单一的状态测量结果,这样,就使得数据处理器用于产生作动器信号输出模块106的状态测量值不会出现多来源现象,从测量环节保证了作动器输出信号产生的控制力和力矩不会相互抵触。优选所述数据融合模块为卡尔曼滤波模块。
进一步的,本案中仅采用了一块数据处理器,相较于现有驾驶仪,这样可有效避免因为多块数据处理器之间通信造成的时间延迟。
作为本领域技术人员,以上卡尔曼滤波模块的功能可以由数据处理器完成,也可以是区别于数据处理器的单独模块。
进一步的,自动驾驶仪的构架中,针对信号采集模块中的任意一个采集单元,也可通过卡尔曼滤波模块进行数据融合后产生唯一的状态测量结果后再通过数据处理器进行数据处理。
实施例2:
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定,如图1所示,作为以上所述的复合翼无人机自动驾驶仪100进一步的技术方案:作为所述信号采集模块的具体实现方式,所述信号采集模块包括至少一个惯性传感器模块102、至少一个动静压传感器模块103、至少一个磁场传感器模块104、至少一个GPS模块105,所述惯性传感器模块用于测量加速度和角速度,所述动静压传感器模块103用于测量动压和静压,所述GPS模块105用于测量伪距观测值,所述磁场传感器模块104用于测量磁场强度。以上信号采集模块的具体实现方案可采集无人机飞行过程中的多个参数,本驾驶仪以以上信号采集模块采集的参数为无人机控制的依据,优选的,所述GPS模块105为实时差分GPS模块105,且GPS模块105的更新频率不低于5Hz。
为满足现有具有多个气动舵面、具有多个垂直螺旋桨的复合翼无人机控制需要,所述作动器信号输出模块106包括多个信号输出端,作动器信号输出模块106的信号输出端包括气动舵面控制端、垂直螺旋桨控制端、水平螺旋桨控制端,且气动舵面控制端、垂直螺旋桨控制端的数量均不止一个,垂直螺旋桨控制端的控制信号更新频率高于其他信号输出端的控制信号更新频率。由于低速情况下复合翼无人机的动力学特性偏向于多旋翼,阻尼较小且中立稳定,垂直螺旋桨控制端控制输出的频率较高才能保证控制效果;而高速情况下复合翼无人机的动力学特性偏向于固定翼,具有静稳定性和动态稳定性,垂直螺旋桨控制端及水平螺旋桨控制端控制频率可以适当降低,故采用以上方案,可充分利用自动驾驶仪的数据处理能力,实现对无人机最有效的控制。
本实施例中,本自动驾驶仪用于控制设置有四个垂直螺旋桨、一个水平螺旋桨、三组气动舵面的无人机飞行控制,则作动器信号输出模块106的信号输出端为八路,分别控制4根拉力方向与重力相反的垂直螺旋桨,1根拉力方向沿飞行速度方向的水平螺旋桨和3组气动舵面;水平螺旋桨和气动舵面的控制信号更新频率可设定为50Hz,而垂直螺旋桨的控制信号更新频率可设定为200Hz或400Hz。
这样,作动器信号输出模块106的信号输出端输出的信号包括:垂直螺旋桨1控制信号1061、垂直螺旋桨2控制信号1062、垂直螺旋桨3控制信号1063、垂直螺旋桨4控制信号1064、水平螺旋桨控制信号1065、气动舵面1控制信号1066、气动舵面2控制信号1067、气动舵面3控制信号1068。
作为一种在无人机飞行过程中,可完成检测以下至少一种无人机状态参数:检测航油使用情况、监控飞行状态下螺旋桨的工作情况、检测无人机上电池电量信息的实现方案,所述信号采集模块还包括航油油量传感器、非接触式转速传感器、电池电量传感器中的至少一个,所述航油油量传感器用于监测无人机的航油油量,所述非接触式转速传感器用于监测无人机上螺旋桨的转速,所述电池电量传感器用于监测无人机上电池的电量。本案中,若水平螺旋桨的驱动装置采用内燃机,则复合翼无人机自动驾驶仪100还可包括航油油量传感器,在飞行过程中检测航油使用情况;垂直螺旋桨和水平螺旋桨均可通过电机驱动,用于电机能源的电池的工作状态可以通过电池电量传感器进行监控;非接触式转速传感器优选用于监控飞行状态下水平螺旋桨的工作情况。这样,本案能够实时监控无人机动力系统状态,避免了由于动力系统工作异常导致的飞行事故。
进一步的,无人机自动驾驶仪还包括垂直螺旋桨位置传感器,便于实现:通过指令使低速转动的垂直螺旋桨锁定于指定位置,在高速飞行不需要垂直螺旋桨工作的情况下,检测垂直螺旋桨的位置,通过控制信号将垂直螺旋桨桨叶锁定在沿飞行速度的方向,达到减小气动阻力的目的。
进一步的,无人机自动驾驶仪还包括通信模块,便于实现:可通过通信模块,将地面实时向无人机发送的起飞、降落等指令上传自动驾驶仪;进一步的,以上通信模块为双向通信模块,这样,自动驾驶仪可以下传飞行器的实时飞行状态数据,便于操作者把握无人机的飞行环境、飞行状态等。
进一步的,为保证自动驾驶仪对无人机控制的实时性和控制精度,所述作动器信号输出模块106的控制信号更新频率不低于50Hz。
实施例3:
如图2,本实施例同时还提供了一种复合翼无人机自动驾驶仪100采用的控制方法,用于机身上设置有水平螺旋桨、三组气动舵面及多个垂直螺旋桨的复合翼无人机飞行姿态控制,各组气动舵面分别用于改变所述复合翼无人机的滚转、俯仰和偏航力矩,所述控制方法的实现依赖于以上任意一个实施例所提供的任意一个自动驾驶仪方案,所述控制方法包括依次进行的以下步骤:
步骤一,垂直起飞;
步骤二,复合加速;
步骤三,固定翼飞行;
步骤四,复合减速;
步骤五,垂直降落;
所述复合加速步骤的实现方式为:步骤二开始的判据为无人机到达预设复合加速状态最低高度且姿态和高度稳定;
步骤二的控制方法为:操作水平螺旋桨开始工作,克服无人机气动阻力增加前向速度;
协调控制多个垂直螺旋桨转速,使飞行高度跟随高度控制指令;
协调控制多个垂直螺旋桨转速和气动舵面偏转角度,调整无人机姿态,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角不超过无人机失速攻角的30%。
以上控制方法技术方案中,明确了无人机飞行阶段和相应的阶段切换判据,容易校验和掌握,提高了复合翼无人机的用户体验,同时,在复合加速状态下采用较小的俯仰姿态指令,使无人机气动迎角较小,在无人机飞行姿态变换时,保证无人机气流稳定,气动力和力矩的绝对值和变化率都较小,即扰动较小,有利于姿态控制,从而克服现有技术中无人机飞行的过渡阶段都需要具有航模经验的操作手肉眼观测无人机的飞行状态,通过遥控器直接操纵多轴螺旋桨转速和固定翼气动舵面偏角,自动驾驶仪在过渡阶段只提供一定的阻尼作用的缺陷,实现复合翼无人机全自主全状态飞行的发明目的。
实施例4:
本实施在实施例3的基础上对所述控制方法做进一步限定:作为以上所述的复合翼无人机自动驾驶仪100采用的控制方法进一步的技术方案,所述复合减速步骤的实现方法为:开始的判据为无人机达到五边降落航线的侧风边起点;
步骤四的具体控制方法为:在侧风边起点盘旋降高至预设盘旋最低高度,之后调整航向,依次通过五边降落航线的侧风边和下风边,在此过程中降低飞行速度,之后进入五边降落航线的底边,在底边降低高度和速度,在底边终点达到预设降落高度,而后进入五边降落航线的进场边,进场边中段位置设置决断窗口,所述决断窗口为竖直矩形,所述竖直矩形法线为当前航线的水平投影,所述竖直矩形左右两边沿当前航线水平投影左右对称,所述竖直矩形上边的高度为预设决断高度上限,所述竖直矩形下边的高度为预设决断高度下限;
若无人机通过决断窗口且在速度不大于预设决断速度,则开始以下控制操作:垂直螺旋桨开始工作,水平螺旋桨停转,协调控制垂直螺旋桨转速和3组气动舵面偏转角,调整无人机姿态、速度和高度,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角介于50%至80%之间;
若无人机未进入决断窗口或进入决断窗口的速度大于预设决断速度,则进行以下控制操作:垂直螺旋桨保持停转,控制水平螺旋桨转速,使无人机加速爬升,重新进入侧风边起点,重复步骤四。
本案提供的控制方法中,在复合减速状态下采用决断窗口的方式判断垂直螺旋桨是否可以介入,决断窗口同时从飞行速度、飞行高度、飞行位置三个方面限定了无人机的状态,为垂直螺旋桨的介入时机提供了定量的决断判据,避免了介入过早导致的垂直螺旋桨流场不稳定出现的不可控振荡,保证了水平飞行转垂直降落的稳定性和可靠性。
所述步骤一的实现方式为:开始的判据为地面向无人机发送起飞指令;
步骤一的具体控制方法为:使水平螺旋桨处于停转状态;使气动舵面保持中立位置;协调控制多个垂直螺旋桨转速,以调整螺旋桨拉力、无人机姿态和位置,使飞行器按预设爬升速率稳定爬升。
所述步骤三的实现方式为:开始的判据为飞行速度达到预设的最小失速速度且水平螺旋桨工作正常;
步骤三的具体控制方法为:使多个垂直螺旋桨停止工作,使水平螺旋桨产生拉力抵消气动阻力,达到无人机气动升力抵消重力的目的;
控制所述3组气动舵面偏转角度,调整无人机姿态、速度、高度和位置。
为便于在无人机任意飞行状态下,通过地面发送应急指令终止当前飞行任务或通过自动驾驶仪的自动判定终止当前飞行任务,还包括在无人机任意飞行状态下、用于无人机紧迫迫降控制的紧急迫降步骤,所述紧急迫降步骤包按照以下逻辑进行:
S1:测量当前空速和地速;
S2:若步骤S1测量的地速大于多轴可控最大速度且水平螺旋桨工作正常,则进入所述步骤四和步骤五;
S3:若S2确定水平螺旋桨工作异常,则垂直动力螺旋桨立即开始工作,之后若空速不大于多轴可控最大速度且垂直螺旋桨工作正常,则直接在当前位置按预设下降速度降落地面;
S4:若在S3的基础上地速大于多轴可控最大速度,则无人机定高盘旋,降低空速至多轴可控最大速度,然后进行S3;
S5:若在S4的基础上垂直螺旋桨无法正常工作,则锁定垂直螺旋桨和水平螺旋桨,通过控制气动舵面调整无人机姿态和垂直速率滑翔降落。
本实施例中,所述飞行速度在垂直螺旋桨工作的状态下为地速,其余状态下为空速。
进一步的,为保证无人机飞行安全,所述的预设最小失速速度不低于无人机设计失速速度的125%;所述决断速度不低于无人机设计失速速度的110%;所述决断窗口的竖直矩形的宽度不小于进场边起点飞行速度在2s达到的距离。
实施例5:
本实施提供了一种具体的无人机自动驾驶仪所采用的控制方法,如图2所示,该控制方法包括顺序进行的以下步骤:垂直起飞步骤,包括:完成飞前检查2001、垂直起飞开始判据2011、垂直起飞操作2012;复合加速步骤,包括复合加速开始判据2021、复合加速操作2022;固定翼飞行步骤,包括:固定翼飞行开始判据2031、固定翼飞行操作2032;复合减速步骤,包括:复合减速开始判据2041、复合减速操作2042;垂直降落步骤,包括:垂直降落开始判据2051、垂直降落操作2052;使无人机处于停飞状态206。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式,均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,用于机身上设置有水平螺旋桨、三组气动舵面及多个垂直螺旋桨的复合翼无人机飞行姿态控制,各组气动舵面分别用于改变所述复合翼无人机的滚转、俯仰和偏航力矩,其特征在于,所述控制方法的实现依赖于以下自动驾驶仪:
包括控制器、信号采集模块及作动器信号输出模块,所述控制器的信号输入端与信号采集模块的数据输出端相连,作动器信号输出模块的信号采集端连接于控制器的数据输出端上,其特征在于,所述控制器包括一块数据处理器,还包括数据融合模块,在信号采集模块中,使用不止一个采集单元采集同一种信号时,针对此信号的采集单元的信号输出端均连接在数据融合模块的输入端上,数据融合模块将所得数据进行数据融合得到唯一的状态数据后,再将状态数据传送给数据处理器;
所述控制方法包括依次进行的以下步骤:
步骤一,垂直起飞;
步骤二,复合加速;
步骤三,固定翼飞行;
步骤四,复合减速;
步骤五,垂直降落;
所述复合加速步骤的实现方式为:步骤二开始的判据为无人机到达预设复合加速状态最低高度且姿态和高度稳定;
步骤二的控制方法为:操作水平螺旋桨开始工作,克服无人机气动阻力增加前向速度;
协调控制多个垂直螺旋桨转速,使飞行高度跟随高度控制指令;
协调控制多个垂直螺旋桨转速和气动舵面偏转角度,调整无人机姿态,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角不超过无人机失速攻角的30%;所述复合减速步骤的实现方法为:开始的判据为无人机达到五边降落航线的侧风边起点;
步骤四的具体控制方法为:在侧风边起点盘旋降高至预设盘旋最低高度,之后调整航向,依次通过五边降落航线的侧风边和下风边,在此过程中降低飞行速度,之后进入五边降落航线的底边,在底边降低高度和速度,在底边终点达到预设降落高度,而后进入五边降落航线的进场边,进场边中段位置设置决断窗口,所述决断窗口为竖直矩形,所述竖直矩形法线为当前航线的水平投影,所述竖直矩形左右两边沿当前航线水平投影左右对称,所述竖直矩形上边的高度为预设决断高度上限,所述竖直矩形下边的高度为预设决断高度下限;
若无人机通过决断窗口且在速度不大于预设决断速度,则开始以下控制操作:垂直螺旋桨开始工作,水平螺旋桨停转,协调控制垂直螺旋桨转速和3组气动舵面偏转角,调整无人机姿态、速度和高度,其中俯仰姿态指令使无人机的攻角介于50%至80%之间;
若无人机未进入决断窗口或进入决断窗口的速度大于预设决断速度,则进行以下控制操作:垂直螺旋桨保持停转,控制水平螺旋桨转速,使无人机加速爬升,重新进入侧风边起点,重复步骤四。
2.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,其特征在于,所述步骤一的实现方式为:开始的判据为地面向无人机发送起飞指令;
步骤一的具体控制方法为:使水平螺旋桨处于停转状态;使气动舵面保持中立位置;协调控制多个垂直螺旋桨转速,以调整螺旋桨拉力、无人机姿态和位置,使飞行器按预设爬升速率稳定爬升。
3.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,其特征在于,所述步骤三的实现方式为:开始的判据为飞行速度达到预设的最小失速速度且水平螺旋桨工作正常;
步骤三的具体控制方法为:使多个垂直螺旋桨停止工作,使水平螺旋桨产生拉力抵消气动阻力,达到无人机气动升力抵消重力的目的;
控制所述3组气动舵面偏转角度,调整无人机姿态、速度、高度和位置。
4.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,其特征在于,还包括在无人机任意飞行状态下、用于无人机紧迫迫降控制的紧急迫降步骤,所述紧急迫降步骤包按照以下逻辑进行:
S1:测量当前空速和地速;
S2:若步骤S1测量的地速大于多轴可控最大速度且水平螺旋桨工作正常,则进入所述步骤四和步骤五;
S3:若S2确定水平螺旋桨工作异常,则垂直动力螺旋桨立即开始工作,之后若空速不大于多轴可控最大速度且垂直螺旋桨工作正常,则直接在当前位置按预设下降速度降落地面;
S4:若在S3的基础上地速大于多轴可控最大速度,则无人机定高盘旋,降低空速至多轴可控最大速度,然后进行S3;
S5:若在S4的基础上垂直螺旋桨无法正常工作,则锁定垂直螺旋桨和水平螺旋桨,通过控制气动舵面调整无人机姿态和垂直速率滑翔降落。
5.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机自动驾驶仪采用的控制方法,其特征在于,所述决断窗口的竖直矩形的宽度不小于进场边起点飞行速度在2s达到的距离。
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