CN109542111B - 基于分段式的无人机超低空飞行控制方法 - Google Patents

基于分段式的无人机超低空飞行控制方法 Download PDF

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CN109542111B CN201811558257.3A CN201811558257A CN109542111B CN 109542111 B CN109542111 B CN 109542111B CN 201811558257 A CN201811558257 A CN 201811558257A CN 109542111 B CN109542111 B CN 109542111B
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Abstract

本发明公开了一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法，包括根据预设的无人机飞行模态判别条件判别无人机飞行模态，分为进入超低空飞行模态、超低空平飞段飞行模态和退出超低空飞行模态；根据判别结果确定超低空模态无人机纵向分段飞行控制策略并设计无人机纵向分段控制律，细化具体的控制逻辑和控制律参数。本发明实现了无人机在较小扰动环境下以比较平稳的姿态进入超低空飞行，航程缩短，油耗降低；同时可以实现无人机退出超低空飞行后可以在最大动压下以允许的过载爬高继而进入第二次超低空飞行或回收。

Description

基于分段式的无人机超低空飞行控制方法
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制领域，具体涉及一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法。
背景技术
超低空飞行是目前世界上广泛采用的一种战术飞行，它具有很好的隐蔽性和突然性。超低空突防战术和技术始于第二次世界大战期间，近20～30年来，又有了突飞猛进的发展，其中以高精度、亚声速、超低空和掠海飞行的巡航导弹、反舰导弹、反坦克导弹、对地攻击导弹、无人机的发展和实战应用最引人注目。将超低空飞行运用在无人机上，则可以大大提高无人机的隐蔽性和机动性，能够以较小的代价，获得最大的战果，实现具有战略意义的作战样式。
无人机超低空飞行能够隐蔽自己，具有突防的无比优越性，使它成为世界各国航空兵夺取制空权、对地(水)面目标实施攻击的主要战术之一。但是毋庸置疑，超低空飞行也存在着许多危及飞行安全的不利因素。由于无人机离地(水)面高度低、速度大给飞行安全带来许多不利的因素。主要是：飞行撞地概率增大；飞机受力增大、操纵困难，机动飞行受到限制等。同时随着飞行高度的降低，大气温度升高，飞行动压增加，零阻上升，发动机需要推力和耗油率急剧增加，致使结构受载恶化，航程缩短，活动半径降低。由于诸多因素对超低空飞行造成的影响，因此，必须提出合适的超低空飞行策略，来使超低空飞行能够安全、有效的进行。这也是实现无人机超低空飞行的一项关键技术。
无人机纵向通道的传统控制模式是依靠通过测量俯仰角及俯仰角速率来进行升降舵舵面调节从而实现无人机下滑及姿态保持，但是这种策略下高度控制误差较大且模态之间切换不够平滑且阶跃响应较大，不利于超低空飞行。目前，针对无人机超低空飞行控制的困难，国内外研究机构主要是通过加装精度在厘米级的激光高度传感器，利用测得的相对高度直接参与控制提高高度控制精度，但成本也大幅增加。也有学者提出将高度差项引入无人机超低空飞行纵向控制律方程，解决高度超调问题，通过选择合适高度差，不仅控制靶机快速下滑，模糊化下滑和平飞的界限，实现平滑过渡，但是此种方式一般采用PID(Proportion Integral Differential,比例-积分-微分)方式调节控制律系数，仍然存在一定的超调，全程不变的控制逻辑也导致航程变短、油耗变高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法，包括如下步骤：
根据预设的无人机飞行模态判别条件判别无人机飞行模态，所述无人机飞行模态分为进入超低空飞行模态、超低空平飞段飞行模态和退出超低空飞行模态；
根据判别结果确定超低空模态无人机纵向分段飞行控制策略并设计无人机纵向分段控制律。
进一步地，所述无人机纵向分段控制律如下：
1)进入超低空飞行模态的纵向控制律表达式如下：
Figure GDA0002847967580000031
其中，δz为升降舵舵面输出，θ为俯仰角，θg为俯仰角给定，ωz为俯仰角速率，
Figure GDA0002847967580000032
为俯仰角增益系数，
Figure GDA0002847967580000033
为俯仰角速率增益系数；
2)超低空平飞段飞行模态的纵向控制律表达式如下：
Figure GDA0002847967580000034
其中，
Figure GDA0002847967580000035
为设置的俯仰角给定，H为飞行相对高度，He为超低空高度给定，γ为滚转角，
Figure GDA0002847967580000036
为超低空高度增益系数，
Figure GDA0002847967580000037
为超低空高度变化率增益系数，
Figure GDA0002847967580000038
为滚转角纵向补偿增益系数；He＝H2，
Figure GDA0002847967580000039
其中He为超低空高度给定，H2为超低空平飞高度，
Figure GDA00028479675800000310
为超低空高度变化率给定，
Figure GDA00028479675800000311
为俯仰角给定。
3)退出超低空飞行模态控制律表达式如下：
Figure GDA00028479675800000312
优选地，θ由陀螺平台实际测量获取，ωz由速率陀螺实际测量获取。
优选地，俯仰角给定θg由式(4)得到：
Figure GDA00028479675800000313
其中：
Figure GDA00028479675800000314
为设置的俯仰角给定，H为飞行相对高度，He为超低空高度给定，γ为滚转角，
Figure GDA00028479675800000315
为超低空高度增益系数，
Figure GDA00028479675800000316
为超低空高度变化率增益系数，
Figure GDA0002847967580000041
为滚转角纵向补偿增益系数。
优选地，H由无线电高度表实际测量获取，γ由陀螺平台实际测量获取；设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000042
为2.5°。
进一步地，超低空高度给定He、超低空高度变化率给定
Figure GDA0002847967580000043
均按指数曲线变化，由式(5)、(6)得到：
He＝H2+(H1-H2)·e-t/τ (5)，
Figure GDA0002847967580000044
其中，H1为超低空进入的截获高度，H2为超低空平飞高度，H1＝H2+100，υ为速度，t为指数曲线时间，τ为时间常数；H2可在地面人为设置，τ＝10s。
在以上技术方案中：
1)进入超低空模态判决条件：
a)当前飞行模态为自主飞行模态；
b)当前航点为超低空飞行模态进入点；
c)无人机纵向为下滑状态；
d)无线电高度表测得的相对高度小于等于截获高度H1；
满足上述条件，无人机进入超低空飞行模态；
2)退出超低空模态判决条件：
当前航点为超低空飞行模态退出点；
满足上述条件，无人机进入超低空退出模态；
3)超低空平飞段飞行模态判决条件
无人机处于进入超低空飞行模态至无人机退出超低空模态之间飞行阶段，
满足上述条件，无人机进入超低空平飞段飞行模态。
根据无人机飞行模态判别将无人机超低空飞行全过程分为超低空进入段、超低空平飞段、超低空退出段；
1)超低空进入段飞行控制策略如下：
无人机满足超低空进入条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s：油门推至“巡航4”状态，切断陀螺纵向修正；
0～5s：软化接通超低空高度增益系数
Figure GDA0002847967580000051
及超低空高度变化率增益系数
Figure GDA0002847967580000052
控制项；
0～50s：设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000053
由-2.5°线性变化至2.5°；
0～50s：超低空高度给定He及超低空高度给定值微分
Figure GDA0002847967580000054
按指数曲线变化；
50s：控制无人机平稳降高至超低空平飞高度H2；
2)超低空平飞段飞行控制策略如下：
超低空进入50s后，无人机过渡至超低空平飞段，需要执行以下动作：
a)油门保持“巡航4”状态；
b)设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000055
继续保持2.5°；
c)超低空高度给定He等于超低空平飞高度H2，超低空高度给定值微分
Figure GDA0002847967580000056
为0；
d)接通陀螺纵向修正；
3)超低空退出段飞行控制策略如下：
无人机满足超低空退出条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s，取当前时刻
Figure GDA0002847967580000057
为超低空退出俯仰角初始给定值
Figure GDA0002847967580000058
断开超低空高度增益系数
Figure GDA0002847967580000059
及超低空高度变化率增益系数
Figure GDA00028479675800000510
控制项，油门保持“巡航4”状态；
0～20s，设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000061
由
Figure GDA0002847967580000062
线性软化至9.5°；
20s，
Figure GDA0002847967580000063
油门由巡航4推至巡航3。
本发明所取得的有益效果：本发明的基于分段式的无人机超低空飞行控制方法，无人机超低空段飞行全过程分为超低空进入段、超低空平飞段、超低空退出段，然后在每一个分段中，依据飞行特性以时间为节点进行相应的控制律设计，更加符合实际工程应用；本发明方法可以实现无人机在较小扰动环境下以比较平稳的姿态进入超低空飞行，航程缩短，油耗降低；同时可以实现无人机退出超低空飞行后可以在最大动压下以允许的过载爬高继而进入第二次超低空飞行或回收。
附图说明
图1是本发明具体实施例无人机超低空飞行控制工作原理图；
图2是本发明具体实施例无人机超低空飞行纵向通道控制原理图；
图3是本发明具体实施例无人机超低空飞行纵向轨迹剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
无人机超低空飞行控制工作原理：本发明的具体实施例中超低空飞行控制系统工作原理如图1所示，系统需要传感器(陀螺平台、角速率陀螺、无线电高度表)测量无人机的飞行状态(俯仰角、滚转角、俯仰角速率、飞行相对高度)，然后由飞控计算机根据预置指令进行比较计算，输出控制信号给执行机构(升降舵舵机)来驱动操纵舵面(升降舵舵面)，从而产生气动力/力矩来控制无人机的飞行状态。本发明的具体实施例中无人机纵向通道的控制回路分为内回路和外回路两部分。内回路通过姿态角(俯仰角、滚转角)和姿态角速率(俯仰角速率)反馈用于无人机的增稳和姿态控制；纵向外回路通过飞行相对高度、飞行相对高度变化率反馈用于无人机的飞行相对高度的稳定与控制。纵向控制通道的控制原理如图2所示。
本发明的具体实施例中无人机的飞行模态可分为地面模态、程控飞行模态、自主飞行模态、遥控飞行模态、超低空飞行模态和回收模态，并分别用数字1、2、3、4、5、6来表示。无人机的每一个航点信息都包含如下数据：航点号、航点经度、航点纬度、航点高度、航点状态字，其中航点状态字又分为超低空进入点、超低空退出点，分别用数字1、2来表示。
一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据预设的无人机飞行模态判别条件判别无人机飞行模态，所述无人机飞行模态分为进入超低空飞行模态、超低空平飞段飞行模态和退出超低空飞行模态；
在本实施例中，进入超低空飞行模态和退出超低空飞行模态判别条件设置；
1)进入超低空模态判决条件：
a)当前飞行模态为自主飞行模态即当前飞行模态为5；
b)当前航点为超低空飞行模态进入点即当前航点状态字为1；
c)无人机纵向为下滑状态即飞行相对高度在减小；
d)无线电高度表测得的相对高度小于等于200m。
满足上述条件，无人机进入超低空飞行模态，计时超低空进入段0s，按步骤S2中21)的超低空进入段控制策略进行超低空飞行，控制律按照步骤S2中201)进行设计。
2)退出超低空模态判决条件：
当前航点为超低空飞行模态退出点即当前航点状态字为2。
满足上述条件，无人机进入超低空退出模态，计时超低空退出段0s，按步骤S2中23)的超低空退出段控制策略退出超低空飞行，控制律按照步骤S2中203)进行设计。
3)超低空平飞段飞行模态
无人机处于进入超低空飞行模态至无人机退出超低空模态之间飞行阶段，
满足上述条件，无人机进入超低空平飞段飞行模态。
步骤S2：根据判别结果确定超低空模态无人机纵向分段飞行控制策略并设计无人机纵向分段控制律。
在本实施例中，超低空模态分段飞行控制策略设计；
根据无人机进入超低空飞行模态、超低空平飞段飞行模态和退出超低空飞行模态对应将无人机超低空飞行全过程分为超低空进入段、超低空平飞段、超低空退出段，剖面图如图3所示。
21)超低空进入段
无人机满足超低空进入条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s：油门推至“巡航4”状态，切断陀螺纵向修正；
0～5s：软化接通超低空高度增益系数
Figure GDA0002847967580000081
及超低空高度变化率增益系数
Figure GDA0002847967580000082
控制项；
0～50s：设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000083
由-2.5°线性变化至2.5°；
0～50s：超低空高度给定He及超低空高度给定值微分
Figure GDA0002847967580000084
按指数曲线变化；
50s：控制无人机平稳降高至超低空平飞高度H2。
22)超低空平飞段
超低空进入50s后，无人机过渡至超低空平飞段，需要执行以下动作：
a)油门保持“巡航4”状态；
b)设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000091
继续保持2.5°；
c)超低空高度给定He等于超低空平飞高度H2，超低空高度给定值微分
Figure GDA0002847967580000092
为0；
d)接通陀螺纵向修正。
23)超低空退出段
无人机满足超低空退出条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s，取当前时刻
Figure GDA0002847967580000093
为超低空退出俯仰角初始给定值
Figure GDA0002847967580000094
断开超低空高度增益系数
Figure GDA0002847967580000095
及超低空高度变化率增益系数
Figure GDA0002847967580000096
控制项，油门保持“巡航4”状态；
0～20s，设置的俯仰角给定
Figure GDA0002847967580000097
由
Figure GDA0002847967580000098
线性软化至9.5°；
20s，
Figure GDA0002847967580000099
油门由巡航4推至巡航3。
在本实施例中，超低空模态无人机纵向分段控制律设计，具体设计如下：
201)超低空进入段纵向控制律设计
Figure GDA00028479675800000910
其中，δz为升降舵舵面输出，θ为俯仰角，θg为俯仰角给定，ωz为俯仰角速率，
Figure GDA00028479675800000911
为俯仰角增益系数，
Figure GDA00028479675800000912
为俯仰角速率增益系数。θ由陀螺平台实际测量获取，ωz由速率陀螺实际测量获取。θg可由式(2)得到：
Figure GDA0002847967580000101
其中：
Figure GDA0002847967580000102
为设置的俯仰角给定，H为飞行高度，He为超低空高度给定，γ为滚转角，
Figure GDA0002847967580000103
为超低空高度增益系数，
Figure GDA0002847967580000104
为超低空高度变化率增益系数，
Figure GDA0002847967580000105
为滚转角纵向补偿增益系数。
Figure GDA0002847967580000106
Figure GDA0002847967580000107
H由GPS实际测量获取，He、
Figure GDA0002847967580000108
均按指数曲线变化，可由下式得到：
He＝H2+(H1-H2)·e-t/τ
Figure GDA0002847967580000109
其中，H1为超低空进入的截获高度，H2为超低空平飞高度，H1＝H2+100，υ为速度，t为指数曲线时间，τ为时间常数。H2可人为设置，一般默认100m，τ＝10s。
202)超低空平飞段控制率设计
Figure GDA00028479675800001010
其中：He＝100m，
Figure GDA00028479675800001011
Figure GDA00028479675800001012
203)超低空退出段控制率设计
Figure GDA00028479675800001013
其中：
Figure GDA00028479675800001014
从0s开始在20s内由当前俯仰角给定值线性变化至9.5°，20s后保持
Figure GDA00028479675800001015
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分段式的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据预设的无人机飞行模态判别条件判别无人机飞行模态，所述无人机飞行模态分为进入超低空飞行模态、超低空平飞段飞行模态和退出超低空飞行模态；
根据判别结果确定超低空模态无人机纵向分段飞行控制策略并设计无人机纵向分段控制律；
所述无人机纵向分段控制律如下：
1)进入超低空飞行模态的纵向控制律表达式如下：
Figure FDA0002847967570000011
其中，δz为升降舵舵面输出，θ为俯仰角，θg为俯仰角给定，ωz为俯仰角速率，
Figure FDA0002847967570000012
为俯仰角增益系数，
Figure FDA0002847967570000013
为俯仰角速率增益系数；
2)超低空平飞段飞行模态的纵向控制律表达式如下：
Figure FDA0002847967570000014
其中，
Figure FDA0002847967570000015
为设置的俯仰角给定，H为飞行相对高度，He为超低空高度给定，γ为滚转角，
Figure FDA0002847967570000016
为超低空高度增益系数，
Figure FDA0002847967570000017
为超低空高度变化率增益系数，
Figure FDA0002847967570000018
为滚转角纵向补偿增益系数；
3)退出超低空飞行模态控制律表达式如下：
Figure FDA0002847967570000019
2.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，θ由陀螺平台实际测量获取，ωz由速率陀螺实际测量获取。
3.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，俯仰角给定θg由式(4)得到：
Figure FDA0002847967570000021
其中：
Figure FDA0002847967570000022
为设置的俯仰角给定，H为飞行相对高度，He为超低空高度给定，γ为滚转角，
Figure FDA0002847967570000023
为超低空高度增益系数，
Figure FDA0002847967570000024
为超低空高度变化率增益系数，
Figure FDA0002847967570000025
为滚转角纵向补偿增益系数。
4.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，H由无线电高度表实际测量获取，γ由陀螺平台实际测量获取。
5.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，设置的俯仰角给定
Figure FDA0002847967570000026
为2.5°。
6.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，超低空高度给定He、超低空高度变化率给定
Figure FDA0002847967570000027
均按指数曲线变化，由式(5)、(6)得到：
He＝H2+(H1-H2)·e-t/τ (5)，
Figure FDA0002847967570000028
其中，H1为超低空进入的截获高度，H2为超低空平飞高度，H1＝H2+100，υ为速度，t为指数曲线时间，τ为时间常数；H2可在地面人为设置，τ＝10s。
7.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，公式2中参数取值表达式：
He＝H2，
Figure FDA0002847967570000029
其中He为超低空高度给定，H2为超低空平飞高度，
Figure FDA00028479675700000210
为超低空高度变化率给定，
Figure FDA0002847967570000031
为俯仰角给定。
8.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，1)进入超低空模态判决条件：
a)当前飞行模态为自主飞行模态；
b)当前航点为超低空飞行模态进入点；
c)无人机纵向为下滑状态；
d)无线电高度表测得的相对高度小于等于截获高度H1；
满足上述条件，无人机进入超低空飞行模态；
2)退出超低空模态判决条件：
当前航点为超低空飞行模态退出点；
满足上述条件，无人机进入超低空退出模态；
3)超低空平飞段飞行模态判决条件
无人机处于进入超低空飞行模态至无人机退出超低空模态之间飞行阶段；
满足上述条件，无人机进入超低空平飞段飞行模态。
9.根据权利要求1所述的无人机超低空飞行控制方法，其特征在于，根据无人机飞行模态判别将无人机超低空飞行全过程分为超低空进入段、超低空平飞段、超低空退出段；
1)超低空进入段飞行控制策略如下：
无人机满足超低空进入条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s：油门推至“巡航4”状态，切断陀螺纵向修正；
0～5s：软化接通超低空高度增益系数
Figure FDA0002847967570000032
及超低空高度变化率增益系数
Figure FDA0002847967570000033
控制项；
0～50s：设置的俯仰角给定
Figure FDA0002847967570000034
由-2.5°线性变化至2.5°；
0～50s：超低空高度给定He及超低空高度给定值微分
Figure FDA0002847967570000041
按指数曲线变化；
50s：控制无人机平稳降高至超低空平飞高度H2；
2)超低空平飞段飞行控制策略如下：
超低空进入50s后，无人机过渡至超低空平飞段，需要执行以下动作：
a)油门保持“巡航4”状态；
b)设置的俯仰角给定
Figure FDA0002847967570000042
继续保持2.5°；
c)超低空高度给定He等于超低空平飞高度H2，超低空高度给定值微分
Figure FDA0002847967570000043
为0；
d)接通陀螺纵向修正；
3)超低空退出段飞行控制策略如下：
无人机满足超低空退出条件后，按时间逻辑执行以下动作：
0s，取当前时刻
Figure FDA0002847967570000044
为超低空退出俯仰角初始给定值
Figure FDA0002847967570000045
断开超低空高度增益系数
Figure FDA0002847967570000046
及超低空高度变化率增益系数
Figure FDA0002847967570000047
控制项，油门保持“巡航4”状态；
0～20s，设置的俯仰角给定
Figure FDA0002847967570000048
由
Figure FDA0002847967570000049
线性软化至9.5°；
20s，
Figure FDA00028479675700000410
油门由巡航4推至巡航3。
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