CN108829122A - 一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法，载机将无人机在空中投放，陀螺仪实时测量无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度，将测量值传递给无人机的控制器，无人机被投放时具有一定前向速度，且滚转角和俯仰角都为0度；控制器利用PID双闭环控制方法对无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度进行控制；控制器按照固定值的角速率调整俯仰角至0度，同时控制器在俯仰角小于负60度时，控制滚转角角速率不变，待俯仰角等于或大于负60度时，调整滚转角至0度；当滚转角和俯仰角均调整至0度时，完成起飞。本方法可将无人机空投后的任意滚转角调整为0，控制方式简单可靠；降低无人机空投起飞所需的条件；一架载机可同时携带并投放多架无人机。

Description

一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法。

背景技术

无人机具有重量轻、维护成本低、无人员伤亡风险、使用方便等优势，目前应用领域日益广泛，在资源勘探、环境监测、应急救灾、公共安全、火灾监测与救援、快递投放等方面均有相关的技术与产品开发。

折叠翼无人机空投起飞时，要求载机释放无人机的高度必须足够高，飞行场地要足够大。当载机将无人机空投之后，将进行自由落体运动，且受到外界的风速等影响，必须通过相应控制器对无人机俯仰角和滚转角进行控制，在落地之前将无人机的俯仰角和滚转角都调整为0，达到顺利起飞的效果。目前，在现有技术中，对折叠翼无人机空投之后俯仰角和滚转角的控制方法，过程复杂、效率较低；利用俯仰角进行参控，容易出现陀螺仪俯仰角在90度极区，导致控制失败；载机空投无人机的高度必须足够高，否则无人机将在完成起飞姿态调整前落地；载机将无人机垂直空投时，无人机时的航向不可控，因此在起飞姿态的调整过程中不仅需要有足够大的飞行场地，且一架载机只能携带一架无人机，空投效率较低。

发明内容：

本发明目的是提供了一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法，要解决现有技术中存在的折叠翼无人机对空投下降高度的要求高，空投后的飞行控制方法复杂、控制效率较低，以及空投后的航向不可控等技术问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法，载机将无人机在空中投放，陀螺仪实时测量无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度，将测量值传递给无人机的控制器，无人机被投放时具有一定前向速度，且滚转角和俯仰角都为0度；控制器利用PID双闭环控制方法对无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度进行控制；控制器按照固定值的角速率调整俯仰角至0度，同时控制器在俯仰角小于负60度时，控制滚转角角速率不变，待俯仰角等于或大于负60度时，调整滚转角至0度；当滚转角和俯仰角均调整至0度时，完成起飞。

其中，上文中PID(英文全称为Proportion Integration Differentiation)意为比例积分微分，PID控制即为比例、积分、微分控制；属于电工电子类技术术语。

优选的，控制器采用PID双闭环控制方法对无人机的俯仰角进行控制，以5度每秒的角速率调整无人机的俯仰角至0度。

优选的，PID双闭环控制方法以俯仰角角速率形成PID内环，以俯仰角为PID外环，组成PID双闭环。

优选的，在俯仰角等于或大于负60度时，控制器采用PID双闭环控制方法对滚转角进行控制；PID双闭环控制方法以滚转角角速率形成PID内环，以滚转角为PID外环，组成PID双闭环。

优选的，无人机在调整俯仰角至0度的过程中启动油门；无人机的俯仰角小于一个阈值时，油门不启动，通过重力让无人机获得前向加速度；当无人机的俯仰角等于或大于阈值时，油门启动，开动螺旋桨。

优选的，阈值是负15度。

优选的，无人机是折叠翼无人机。

优选的，所述无人机空投下落过程中，无人机机翼展开。

优选的，载机投放无人机时，是将无人机安装在筒中一起投放，当无人机俯仰角为负30度时，无人机与筒分离。

优选的，无人机与筒分离时，无人机机翼展开。

本方案具有如下有益效果：

1、无人机以俯仰角和滚转角均为0的姿态安装在载机上，便于载机携带；

2、本方案的控制方法可将无人机空投后的任意滚转角调整为0，控制方法简单可靠；

3、无人机以俯仰角和滚转角为0的姿态开始下落，可减少无人机从释放到起飞结束过程中的下降高度，降低无人机空投起飞所需场地条件；

4、本方案的控制方法在无人机空投时的航向可预先确定，因此一架载机可以同时携带并投放多架无人机。

附图说明

图1为本发明的空投无人机起飞姿态控制方法流程示意图；

图中，pitch为无人机俯仰角，roll为无人机滚转角。

具体实施方式

现参照说明书附图来阐述本发明的选定实施例，本发明的实施例的下述说明仅是示例性的，并不是为了限制本发明的方案。

实施例1

本实施例采用的折叠翼无人机预先安装有控制器和两个陀螺仪，两个陀螺仪分别用于检测无人机滚装方向和俯仰方向的角速率和角度。载机携带无人机飞行到一定高度后，在无人机的机头具有一定前向速度的条件下，将无人机以水平姿态释放，也即释放时无人机的俯仰角和滚转角均为0度。无人机被释放后即开始自由落体运动，同时控制器启动无人机起飞姿态控制流程。

无人机正常起飞，需要调整至合适的飞行姿态，并具有一定的前向速度。在飞行姿态控制方面，需要将无人机的滚转角和俯仰角均调整至0度。本实施例中的无人机在开始自由落体前即具有一定的前向速度，自由落体过程中将会获得一定的垂直速度，因此可以给无人机提供足够的初速度。当无人机的滚转角和俯仰角均调整至0度左右，同时也具有足够的前飞速度时，标志着无人机起飞成功，然后就可以进入常规飞行流程。

现参照附图1，具体介绍本实施例的折叠翼无人机空投起飞姿态控制的具体方法。载机将无人机在空中投放后，两个陀螺仪实时测量无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度，并将测量值实时传递给无人机的控制器。无人机释放时的俯仰角和滚转角均为0度，由于空气阻力和风速等外界因素，无人机在自由落体过程中其俯仰角和滚转角会发生变化；当陀螺仪检测到无人机俯仰角为负30度时，控制器命令无人机机翼迅速展开起飞。控制器利用PID双闭环控制方法对无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度进行控制调整；具体控制调整的方法如下：1、控制器按照固定值的角速率调整俯仰角至0度；2、同时控制器在俯仰角小于负60度时，控制滚转角角速率不变，待俯仰角等于或大于负60度时，调整滚转角至0度；3、当滚转角和俯仰角均调整至0度时，完成起飞。因为无人机在俯仰角小于负60度时，若此时不控制滚转角角速率，无人机姿态将混乱，容易进入螺旋状态，导致起飞失败；若此时在短时间内太快将滚转角调整至0度，无人机将失速自由落体，也无法成功起飞。因此本实施例中，在无人机俯仰角小于负60度时，先控制滚转角角速率不变，这样无人机在自由落体的过程中可以继续获得前飞的速度和加速度，有利于无人机的起飞控制；待控制器将无人机俯仰角调整至等于或大于负60度时，再调整滚转角至0度，避免了无人机失速或进入螺旋状态，可保证无人机的顺利起飞。

本实施例的无人机飞行姿态控制方法，无人机具有足够的初速度，且无人机以俯仰角和滚转角均为0的姿态安装在载机上，便于载机携带；无人机以俯仰角和滚转角为0的姿态开始下落，可减少无人机从释放到起飞结束过程中的下降高度，降低了无人机空投起飞所需的场地条件；可将无人机空投后的任意滚转角调整为0，控制方式简单可靠；由于无人机空投以水平姿态释放，航向可预先确定，且起飞过程中俯仰角和滚转角都参控，因此释放后的无人机航向可控，所以一架载机可以同时携带并投放多架无人机，提高了无人机空投效率。

无人机的俯仰角控制方法具体为：控制器采用PID双闭环控制方法对无人机的俯仰角进行控制，以5度每秒的角速率调整无人机的俯仰角至0度后，保持控制俯仰角为0度；其中PID双闭环控制方法以俯仰角角速率形成PID内环，以俯仰角为PID外环，组成PID双闭环。

无人机的滚转角控制方法具体为：无人机在空投后自由落体期间，在俯仰角小于60度时，保持控制无人机的滚转角角速率不变；在俯仰角等于或大于负60度时，控制器采用PID双闭环控制方法对滚转角进行控制，以滚转角为0作为控制量，控制无人机的滚转角向0度调整；其中PID双闭环控制方法以滚转角角速率形成PID内环，以滚转角为PID外环，组成PID双闭环。

在无人机空投释放后进行自由落体的过程中，在无人机俯仰角比较小时，如负60度，由于重力和飞行角度的原因，无人机可以获得一定的前向加速度，因此该阶段可以不启动油门为无人机提供动力；而在俯仰角比较大时，重力将不能再为无人机提供前飞的加速度，前飞速度将会保持不变甚至减小，这时需要启动油门带动螺旋桨为无人机提供动力。在本实施例中，无人机在空投后调整俯仰角至0度的过程中启动油门。具体来说，当无人机的俯仰角小于负15度时，重力可以为无人机提供一定的前向加速度，此时不启动油门；当无人机的俯仰角等于或大于负15度时，重力无法继续提供前向加速度，无人机将做匀速或减速匀速，此时控制器启动油门，开动螺旋桨为无人机提供转速。螺旋桨为无人机提供的转速大小，可以根据需要逐渐增大到一定大小后保持不变。

采用上述方法将无人机俯仰角和滚转角都调整至0度左右后，无人机同时也具有足够的起飞速度，标志着无人机已经起飞成功，接下来控制器既可以启动常规飞行控制流程。

实施例2

继续参见附图1，本实施例采用的折叠翼无人机与实施例1中相同，预先安装有控制器和两个陀螺仪。与实施例1的区别在于，折叠翼无人机预先装入筒中，载机携带无人机和筒一起飞行到一定高度后，在无人机具有一定前向速度的条件下，将无人机和筒在空中以水平姿态释放，也即释放时无人机的俯仰角和滚转角均为0度。无人机和筒一起被释放后即开始自由落体运动，在自由落体过程中，当无人机俯仰角为负30度左右时，无人机与筒分离，然后无人机机翼迅速展开起飞，同时控制器启动无人机起飞姿态控制流程。

本实施例中，控制器对无人机空投起飞姿态控制的具体方法与实施例1中的方法相同，因此不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平空投无人机的起飞姿态控制方法，载机将无人机在空中投放，陀螺仪用于测量无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度，将测量值传递给所述无人机的控制器，其特征在于：所述无人机被投放时具有一定前向速度，且滚转角和俯仰角都为0度；所述控制器利用PID双闭环控制方法对无人机滚转方向和俯仰方向的角速率和角度进行控制；所述控制器按照固定值的角速率调整俯仰角至0度，同时所述控制器在俯仰角小于负60度时，控制滚转角角速率不变，待俯仰角等于或大于负60度时，调整滚转角至0度；当滚转角和俯仰角均调整至0度时，完成起飞。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制器采用PID双闭环控制方法对所述无人机的俯仰角进行控制，以5度每秒的角速率调整所述无人机的俯仰角至0度。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述PID双闭环控制方法以俯仰角角速率形成PID内环，以俯仰角为PID外环，组成PID双闭环。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在俯仰角等于或大于负60度时，所述控制器采用PID双闭环控制方法对所述滚转角进行控制；所述PID双闭环控制方法以滚转角角速率形成PID内环，以滚转角为PID外环，组成PID双闭环。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述无人机在调整俯仰角至0度的过程中启动油门；所述无人机的俯仰角小于一个阈值时，油门不启动，通过重力让所述无人机获得前向加速度；当所述无人机的俯仰角等于或大于所述阈值时，油门启动，开动螺旋桨。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述阈值是负15度。

7.根据权利要求1-6所述之一的控制方法，其特征在于：所述无人机是折叠翼无人机。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述无人机空投下落过程中，所述无人机机翼展开。

9.根据权利要求1-6所述之一的控制方法，其特征在于：所述载机投放无人机时，是将所述无人机安装在筒中一起投放，当所述无人机俯仰角为负30度时，所述无人机与筒分离。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述无人机与所述筒分离后，所述无人机机翼展开。