CN109445449B - 一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统及方法，所述系统可安装在高亚音速无人飞行器上。系统由地形感知与匹配模块、组合导航模块、主控计算机及外围操纵模块等构成。通过地形感知与匹配模块实时探测飞行器周围地形，并结合数字地形图，对地形进行估计和匹配；组合导航模块测量飞行器的位姿、速度及高度信息；主控计算机根据飞行器周围地形、组合导航信息，通过控制器解算，控制外围操纵模块，对飞行器进行超低空飞行控制。本发明通过设计控制系统及控制方法，可实现无人飞行器在高亚音速飞行条件下完成陆地长距离地形跟随式超低空飞行。

Description

一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种利用高亚音速无人机模拟低空高速入侵目标的领域，属于无人机、图像识别、自主导航与机器视觉等技术领域。

背景技术

近年来，随着歼-20的服役和苏-57的量产，美国空军耗巨资启动了5GAT第五代隐身靶机项目，为实弹射击训练和武器测试提供一种能模拟隐身战机真实雷达和红外信号特征的全尺寸靶机。相应的，随着国际上隐身战机、巡航导弹及侦察机的服役，我军新型航空武器迫切需要高性能的无人靶机提供支撑。而我国现有几型主要靶机对超低空高速来袭目标的模拟能力比较欠缺，大多采用海拔高度保持的方式，在高亚音速飞行条件下难以实现50米以下的陆地超低空飞行，故而无法充分模拟巡航导弹地形跟随的飞行特性，因此研究能够支撑高亚音速飞行条件下陆地长距离地形跟随式超低空飞行的控制系统及控制方法，具有非常迫切的需求和重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统，该系统可实现无人飞行器在高亚音速飞行条件下完成陆地长距离地形跟随式超低空飞行。

本发明采用的技术方案为：

一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于地形测量、障碍探测与威胁评估的地形感知与匹配模块，可由多孔径雷达、双目视觉与激光扫描仪等传感器构成；用于位姿精确测量的组合导航模块，可由惯性导航、卫星导航、无线电高度计、大气计算机、视觉传感器等构成；用于整合数据，执行控制逻辑，解算控制器，操纵无人机完成超低空飞行的主控计算机；用于控制舵面偏转和发动机转速调节的外围操纵模块。

作为优选，所述地形感知与匹配模块通过多孔径雷达、双目视觉与激光扫描仪等感知器件实时测量飞行器周围地形，结合数字地形图，采用神经网络方法对地形进行最优估计，并采用SIFT或ORB特征提取方法对地形特征进行匹配，辅助无人机进行导航；对前方路径中的障碍进行探测，建立三维地形和障碍物地图，地图可以是栅格的形式，对前方的障碍进行标注，并根据相对高度的预测值及其梯度评估其威胁等级，为路径重规划和障碍规避提供数据支撑。

作为优选，所述组合导航模块用于测量飞行器的姿态、地速、空速、海拔高度、相对高度、位置等导航信息，为高亚音速无人机超低空飞行提供数据基础。组合导航模块可由惯性导航、卫星导航、无线电高度计、大气计算机、视觉传感器等组成，可采用扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波及神经网络等方法进行多传感器数据融合，从而对导航数据做出最优估计，用于闭环控制与任务规划。

组合导航模块中的相高测量系统是超低空飞行必不可少的设备，也是本发明的一个重要的关键点。本发明可采用无线电高度计测量高亚音速无人机的离地高度，采用相对高度互补滤波方法，充分利用组合导航和相对高度信息。由于无线电高度计的相对高度信息动态性能差，易受噪声干扰和环境影响，直接引入闭环控制将极大地影响控制性能。对高度计信息与组合导航信息进行融合，可以滤除高度计信息的高频噪声，充分利用其低频特性和垂向速度的高频特性，从而准确的估计相对高度。可采用卡尔曼滤波、互补滤波等数据融合方法来估计最优的相对高度。下述滤波方法属于本发明的典型算法之一：

假设为无人机相对高度的估计值，H_m(s)为无线电高度计的相对高度测量值，V_Int(t)为组合导航模块给出的海拔高度估计值，H_m(s)和V_Int(s)分别为它们的拉氏变换，则相对高度可表示为

式中，K为互补滤波器的增益，决定了滤波器的截止频率。变换到时域下，相对高度可表示为：

作为优选，所述主控计算机用于无人机导航、制导、控制等关键过程的运算，并对机载设备进行操控。主控计算机可由嵌入式硬件系统构成，如ARM、DSP或FPGA等，根据无人机的导航信息、地形数据及预定的飞行任务，采用PID等控制结构进行控制器解算，给出执行机构的操纵量，控制外围操纵模块，对飞行器进行超低空飞行控制。

所述超低空飞行控制方法是本发明的一个重要的关键部分，为了保证高亚音速无人机快速、安全、平稳地进入超低空飞行，本发明采用指数衰减特性的高度引导策略，从而将高亚音速无人机快速而无超调地引导至超低空高度。为了使无人机能够平稳地保持超低空飞行，并同时具备地形跟随能力，本发明将相对高度和地形信息引入高度闭环控制系统，采用相对高度实时修正的海拔高度保持方法。另外，超低空飞行过程中，采取特定的控制策略，以适应相对高度较低以及高度计信息波动性较大的特点。将超低空飞行控制划分为三个子过程：下滑引导过程，超低空保持飞行过程和紧急避障过程。

所述下滑引导过程可划分为快速下滑段和指数引导段，如附图1所示。图1中，H₀为无人机进入指数引导段时的相对高度，H_set为无人机的超低空相对高度设定值，ΔH为指数引导段的高度提前量，H′为相对高度设定值的修正项。

其中，所述快速下滑段可采用固定的高度引导速率的方式，指数引导段采用特殊的快速无超调的高度引导方式，将t时刻的相对高度表示为：

H(t)＝H_set+A·e^-bt+c

式中，b为常数，A和c为指数引导方程中的可调参数。对高度求导，则t时刻的垂向速度可表示为：

V(t)＝H′(t)＝-Ab·e^-bt+c

将以上两式结合，指数引导过程中的高度引导率为：

V(t)＝-b·(H(t)-H_set)

其与当前相对高度与高度设定值之间的偏差成正比。而t＝0时有：

快速下滑段的高度引导速率V₀是已知的，为了将快速下滑段和指数引导段平滑地衔接起来，指数引导段的初始引导速率应与快速下滑段的引导速率一致。当按照快速下滑段的引导速率将相对高度引导至指定偏差范围内时即进入指数引导段。指定的高度偏差表示为ΔH。当t＝0时，有：

V(0)＝-b·(H(0)-H_set)＝-b·ΔH

由于V(0)＝V₀已知，可以求得：

因此可得：

可见，只要指定指数衰减区域的边界ΔH和进入指数衰减之前的高度引导速率V₀，即可得到相应的指数引导规律。对于指定的无人机而言，通常情况下的高度下降速度可设为固定值，如20m/s。因此，可以通过调整ΔH来设计指数引导规律。

在下降引导过程中，高度控制始终采用相对高度实时修正的海拔高度闭环，当海拔高度闭环设定值低于地面高度与超低空目标高度之和超过一定时间时，进入超低空高度保持阶段。其中，当前的地面高度为海拔高度与相对高度估计值之间的差值。

所述指数引导规律可以将高度完美地引导至目标高度，但是，理论引导时间却是无穷大，因此，本发明对引导规律进行适当修正，在目标高度上加一个修正项H′，指数引导规律的设计目标调整为：当无人机下降至目标高度H_set-H′时下滑速率逐渐衰减至零。如此一来，当无人机到达目标高度H_set时，高度引导速率存在一个微小量，即为一个非零的小项，从而可以在损失有限的平滑性的条件下大大缩短引导时间。

作为优选，所述外围操纵模块用于对执行机构进行控制，主要包括发动机控制单元、舵机控制器和减速伞开启开关、气囊充气阀门、伞机分离接头开关等重要的开关量。发动机控制单元根据主控计算机的控制指令，通过调整油泵转速控制发动机转速；舵机控制器根据主控计算机的控制指令，通过调整PWM波占空比或输出电压/电流来控制舵机的偏转或位移，通过舵机传动机构，带动操纵舵面偏转，改变无人机的气动力，进而对超低空的飞行姿态和飞行速度进行调节。

进一步的，所述的地形感知及匹配模块可由多孔径雷达、双目视觉与激光扫描仪等感知器件组成，可采用特征点和特征区域匹配的方式进行数据融合，并对地形进行最优估计；所述组合导航模块中的惯导系统可由三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计组成；所述卫星导航系统可由GPS、北斗、GLONASS、Galileo等组成。

本发明的有益效果主要表现在：本发明可以通过地形感知与匹配、精确的高度制导和相对高度控制来实现高亚音速长距离地形跟随式超低空飞行，以提高无人机的快速超低空突防能力，进而增强高亚音速靶机对国外先进战机的模拟能力，为我军的武器系统提供支撑。

附图说明

图1是一种超低空下滑引导方法示意图。

图2是一种超低空飞行的半实物仿真系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明在高亚音速无人机上使用，用于控制高亚音速无人机进行超低空地形跟随高速飞行。超低空飞行控制划分为三个子过程：下滑引导过程，超低空保持飞行过程和紧急避障过程。

1)下滑引导过程：如附图1所示，下滑引导过程可划分为快速下滑段和指数引导段。图1中，H₀为无人机进入指数引导段时的相对高度，H_set为无人机的超低空相对高度设定值，ΔH为指数引导段的高度提前量，H′为相对高度设定值的修正项。

快速下滑段可采用固定的高度引导速率的方式，指数引导段采用特殊的快速无超调的高度引导方式，具体如下：

首先通过快速下滑段按照指定的高度引导速率V₀(如-20m/s)将无人机引导至指数引导段(相对高度)。然后，以呈指数衰减的引导速率引导相对高度逐渐降低至超低空目标高度，下滑引导速率与距离目标高度的落差成正比，即其中，V(t)为指数引导段的下滑引导速率，V₀为快速下滑段的高度引导速率，H(t)为无人机当前的相对高度测量值，H′为相对高度设定值的修正项。自无人机进入指数引导段开始到降至相对高度设定值，其下滑速率从快速下滑段的速率逐渐衰减至约零。当无人机到达目标高度H_set时，高度引导速率存在一个微小量，即为一个非零的小项，从而可以在损失有限的平滑性的条件下大大缩短引导时间。

在下降引导过程中，高度控制始终采用相对高度实时修正的海拔高度闭环，当海拔高度闭环设定值低于地面高度与超低空目标高度之和超过一定时间时，进入超低空高度保持阶段。其中，当前的地面高度为海拔高度与相对高度估计值之间的差值。

2)超低空保持飞行过程：为了使无人机保持对地高度，始终跟随地形，本发明将相对高度和地形信息引入高度闭环控制系统，根据相对高度预测值实时修正的海拔高度闭环控制方法，进而实时调整飞行姿态以保持相对高度。

3)紧急避障过程：当高亚音速无人机在超低空高度保持的过程中检测到地表形态的持续变化，预测相对高度将低于安全边界时，必须及时做出规避动作。本发明根据周围的地表形态进行在线三维航迹规划，以提前调整无人机的飞行高度。但当障碍物的高度超出无人机高度保持控制器的调整范围时，本发明采用紧急拉起的策略，以固定俯仰角将无人机紧急拉起，直至相对高度大于目标高度超过一定时间后重新进入高度保持过程。以地面高度与相对高度设定值之和作为海拔高度设定值，进行海拔高度保持。其中，地面高度为组合导航系统给出的海拔高度与相对高度估计值之间的差值。

本发明中的方法可通过附图2所示的超低空飞行半实物仿真系统进行验证，并可应用于实际的高亚音速无人机，在平坦陆地上实现长距离地形跟随式高速超低空飞行，超低空飞行高度可达到10m以内，飞行速度可达到220m/s以上。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统的控制方法，所述高亚音速无人机超低空飞行控制系统包括：用于地形测量、障碍探测与威胁评估的地形感知与匹配模块；用于位姿精确测量的组合导航模块；用于整合数据、执行控制逻辑、解算控制器、操纵无人机完成超低空飞行的主控计算机；用于控制舵面偏转和发动机转速调节的外围操纵模块；主控计算机为控制系统的中心；地形感知与匹配模块、组合导航模块作为主控计算机的外部测量输入；外围操纵模块为主控计算机的输出模块，执行主控计算机的指令，控制包括发动机、舵机在内的执行机构；

其特征在于，所述控制方法分为三个子过程：下滑引导过程、超低空保持飞行过程和紧急避障过程；

1)下滑引导过程：

下滑引导过程分为快速下滑段和指数引导段；快速下滑段采用固定的高度引导速率，指数引导段采用快速无超调的高度引导方式；

首先通过快速下滑段按照指定的高度引导速率将无人机引导至指数引导段；然后，以呈指数衰减的引导速率引导相对高度逐渐降低至超低空目标高度，下滑引导速率与距离目标高度的落差成正比，其中指数引导段的初始引导速率与快速下滑段的引导速率一致；自飞机进入指数引导段开始到降至相对高度设定值，其下滑速率从快速下滑段的速率逐渐衰减至约零；

在下滑引导过程中，高度控制始终采用相对高度实时修正的海拔高度闭环，当海拔高度闭环设定值低于地面高度与超低空目标高度之和超过一定时间时，进入超低空高度保持阶段；其中，当前的地面高度为海拔高度与相对高度估计值之间的差值；

所述的指数引导段采用快速无超调的高度引导方式，具体为：

设H₀为无人机进入指数引导段时的相对高度，H_set为无人机的超低空相对高度设定值；将t时刻的相对高度表示为：

H(t)＝H_set+A·e^-bt+c

式中，b为常数，A和c为指数引导方程中的可调参数；对高度求导，则t时刻的垂向速度可表示为：

V(t)＝H′(t)＝-Ab·e^-bt+c

将以上两式结合，指数引导过程中的高度引导率为：

V(t)＝-b·(H(t)-H_set)

其与当前相对高度与高度设定值之间的偏差成正比；而t＝0时有：

快速下滑段的高度引导速率V₀是已知的，指数引导段的初始引导速率与快速下滑段的引导速率一致；当按照快速下滑段的引导速率将相对高度引导至指定偏差范围内时即进入指数引导段；指定的高度偏差表示为ΔH；当t＝0时，有：

V(0)＝-b·(H(0)-H_set)＝-b·ΔH

由于V(0)＝V₀已知，可以求得：

因此可得：

可见，只要指定高度偏差ΔH和进入指数衰减之前的高度引导速率V₀，即可得到指数引导段的高度引导方式；

2)超低空保持飞行过程：

根据相对高度预测值实时修正的海拔高度闭环控制，实时调整飞行姿态以保持相对高度；

3)紧急避障过程：

当高亚音速无人机在超低空高度保持的过程中检测到地表形态的持续变化，预测相对高度将低于安全边界时，必须及时做出规避动作；

根据周围的地表形态进行在线三维航迹规划，以提前调整无人机的飞行高度；当障碍物的高度超出无人机高度保持控制器的调整范围时，采用紧急拉起的策略，以固定俯仰角将无人机紧急拉起，直至相对高度大于目标高度超过一定时间后重新进入高度保持过程；以地面高度与相对高度设定值之和作为海拔高度设定值，进行海拔高度保持；其中，地面高度为组合导航系统给出的海拔高度与相对高度估计值之间的差值。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述的步骤1)中，在目标高度上加一个修正项H′，指数引导规律的设计目标调整为：当无人机下降至目标高度H_set-H′时下滑速率逐渐衰减至零；当无人机到达目标高度H_set时，高度引导速率存在一个非零的微小量，即从而可以在损失有限的平滑性的条件下大大缩短引导时间。