CN109739251B - 无人机分时控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机分时控制方法，包括：执行第一阶段控制律；判断是否达到切换时间，若未达到切换时间则继续执行第一阶段控制律，若达到切换时间则执行第二阶段控制律。本发明针对无人机由俯冲转平飞阶段的动力学和运动学特性，结合无人机的总体设计要求，考虑其最大速度和最大过载值限制，通过设计第一阶段控制律和第二阶段控制律的切换时间和第一阶段控制律中姿态指令的变化速率来使无人机的速度和过载在允许的范围内变化，从而保证无人机的姿态平缓过渡和飞行安全，该控制方法形式简单，计算复杂度低，便于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机分时控制方法。
背景技术
通常而言，无人机的任务周期包括以下几个阶段：地面滑跑、起飞、巡航、下降和着陆几个过程。但对于临近空间无人机而言，为了减小无人机自身的结构重量，为可装配载荷预留空间，目前，工程上也考虑采用浮空器平台搭载起飞的方式。对于采用浮空器平台搭载起飞的无人机，其执行的任务周期区别于以往的无人机，通常包括以下几个阶段：球载起飞、投放转平飞、巡航、下降和着陆这几个过程。球载起飞过程主要依赖于浮空器平台进行控制，而投放转平飞过程则依赖无人机自身的控制，该阶段控制律的设计成败直接决定了整个飞行任务的成败。
对于浮空器平台搭载起飞的无人机而言，为了保证无人机上升过程能够相对平稳，通常采用无人机机头朝下某个角度进行固定。该种固定方式的优点有两点：一是，可以保证无人机上升过程中不会由于自身升力问题与浮空器平台发生碰撞；二是，到达指定高度将无人机投放后能够迅速获得初始速度。但是，该种固定投放拉起方式在控制律设计层面面临两个难题：一是，初始时刻飞机机头朝下，有较大的俯仰角，该阶段是一个由俯冲转平飞的姿态变化较为剧烈的过渡过程，控制律设计的不当会带来较大的过载，给飞机结构设计带来很大挑战；二是，初始时刻飞机的速度很小，舵效很小，随着速度的增大，舵效逐渐增大，合理地选择拉起时间，才能保证整个过程的姿态变化和过载变化不至于太过剧烈，避免飞机姿态失稳或是结构损坏。
针对浮空器平台搭载起飞的无人机，常规的起飞段控制方法不能保证该起飞段与巡航段的顺利安全切换，需要针对该阶段设计特殊的控制方法以解决上述的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种无人机分时控制方法，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种无人机分时控制方法，包括：
执行第一阶段控制律；
判断是否达到切换时间，若未达到切换时间则继续执行第一阶段控制律，若达到切换时间则执行第二阶段控制律。
在进一步的实施方案中，根据无人机最大飞行速度和最大过载值设置所述第一阶段控制律至所述第二阶段控制律的切换时间。
在进一步的实施方案中，所述切换时间介于8s～30s之间。
在进一步的实施方案中，所述第一阶段控制律为俯冲转平飞阶段控制律。
在进一步的实施方案中，所述第一阶段控制律为：
θg＝e-τtθ0
其中，θg为目标俯仰角，θ0为初始时刻的俯仰角，τ为时间常数，。
在进一步的实施方案中，所述θ0的取值范围为0°～-90°。
在进一步的实施方案中，所述τ的取值范围为0～1。
(三)有益效果
本发明的一种无人机分时控制方法相对于现有技术，至少具有以下优点：
1、根据无人机执行的任务周期来划分其飞行阶段，第一阶段和第二阶段控制律的切换不以无人机的高度或速度状态量为标志，而是选择时间作为切换的依据，该切换时间是以飞行控制计算机内部的定时程序来实现的，确保两个阶段之间的切换不会因为传感器故障或测量误差等导致切换失败或是延时，从而使第一阶段和第二阶段控制律能够顺利切换，保证飞行姿态可以平稳过渡。
2、对于具有大俯冲运动的无人机，在设计俯冲阶段转巡航阶段控制律时，其俯冲阶段的控制律即第一阶段控制律设计为指数形式，有如下优点：当飞机初始速度比较小，舵效相对较弱时，给予较大的俯仰角角度指令，当飞机速度逐渐增大时，给予相对较小的俯仰角角度指令，从而可以保证整个控制过程过载不超出设计值，保证飞机安全。
3、本发明的控制方法形式简单，计算复杂度低，便于工程实现。
附图说明
图1为本发明实施例的一种无人机分时控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
基于现有技术存在的下述问题：对于浮空器平台搭载起飞的无人机，投放后俯冲转平飞阶段区别于常规的地面滑跑型无人机，其初始时刻飞机机头朝下，有较大的俯仰角，该阶段是一个由俯冲转平飞的姿态变化较为剧烈的过渡过程，控制律设计的不当会带来较大的过载，给飞机结构设计带来很大挑战；二是，初始时刻飞机的速度很小，舵效很小，随着速度的增大，舵效逐渐增大，如何选择合适的拉起时间，才能保证整个过程的姿态变化和过载变化不至于太过剧烈，避免飞机姿态失稳或是结构损坏。本发明提供了一种无人机分时控制方法，根据无人机总体设计时其最大速度和过载的限制，合理选择拉起时间，并且在投放后俯冲转平飞段，采用指数型的控制律设计形式，合理地规划无人机拉起过程中的速率变化，从而确保整个投放后俯冲转平飞过程中无人机的最大过载和速度值不超过总体设计值，保证飞行安全，且该控制方法形式简单，计算复杂度低，便于工程实现。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本发明实施例的一方面，提供了一种无人机分时控制方法，图1为本发明实施例的无人机分时控制方法的步骤流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
执行第一阶段控制律；
计时单元判断是否达到切换时间，若为达到切换时间则继续执行第一阶段控制律，若达到切换时间则执行第二阶段控制律。
在本实施例中，根据无人机任务周期的不同，将其划分为不同的飞行阶段，每个飞行阶段控制律的设计要综合考虑无人机的运动学和动力学特性，两个飞行阶段控制律的切换以时间作为标志。设计两个飞行阶段的切换时间，该切换时间的选择要满足过渡过程中飞机的最大速度和最大过载值不超过总体设计的最大值，通常，对于球载投放的无人机而言，由投放后俯冲转平飞阶段的切换时间一般选择在8s～30s之间。
在实际应用中，飞行控制计算机内的程序先执行投放后俯冲转平飞阶段即第一阶段控制律，同时，第一阶段控制律内部有计时单元来实时判断该阶段的执行时间是否达到预定的切换时间，当前时间未达到切换时间时，程序会继续执行第一阶段控制律，直到执行时间达到切换时间时，程序会转入巡航段控制律即执行第二阶段控制律。其中，所述第二阶段控制律可以是任意与所述第一阶段控制律不同的控制律。
此外，在实际应用中，对于浮空器平台搭载起飞的无人机，其投放后俯冲转平飞阶段的控制律，即第一阶段控制律可采用如下的指数形式：
θg＝e-τtθ0
其中，θg为目标的俯仰角，即姿态控制外回路提供给内回路的目标跟踪值，该数值是一个实时变化的量；θ0为初始时刻的俯仰角，该角度为定值，但根据实际飞机的性能不同，其取值范围为0°～-90°之间，τ为时间常数，根据实际飞机性能的不同，其取值范围可以为0～1之间的某个数值，其取值越大，整个过程中姿态变化率数值越大。
可见本发明的控制方法，形式简单，计算复杂度小，便于实现，适合用于工程。
需要说明的是，在本发明公开的内容中提到的俯冲转平飞为：无人机向小于0度的向下的方向进行飞行转为等于0度的水平飞行的过程，该过程所需要的时间为所述切换时间。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无人机分时控制方法，其特征在于，所述方法适用于控制由浮空器平台搭载起飞的无人机，所述方法包括：
执行第一阶段控制律；
判断是否达到切换时间，若未达到切换时间则继续执行第一阶段控制律，若达到切换时间则执行第二阶段控制律；
其中，所述切换时间表征所述无人机由向小于0度的向下的方向进行飞行转为等于0度的水平飞行的过程需要的时间，所述切换时间介于8s～30s之间；
所述第一阶段控制律为：
θg＝e-τtθ0
其中，θg为目标俯仰角，θ0为初始时刻的俯仰角，τ为时间常数；
所述θ0的取值范围为0°～-90°，所述τ的取值范围为0～1；
所述第二阶段控制律包括与所述第一阶段控制律不同的控制律。
2.根据权利要求1所述的无人机分时控制方法，其特征在于，根据无人机最大飞行速度和最大过载值设置所述第一阶段控制律至所述第二阶段控制律的切换时间。
3.根据权利要求1所述的无人机分时控制方法，其特征在于，所述第一阶段控制律为俯冲转平飞阶段控制律。
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