CN109917812A - 高空高速无人机着陆接地状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高空高速无人机着陆接地状态控制方法，旨在提供一种更加安全、可靠的控制方法。本发明通过下述技术方案予以实现：高空高速自主起降式无人机着陆控制系统通过飞控计算机采集差分GPS信息，惯导GPS、大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2的高度值及有效性信号、判断设备是否有故障，是则设置高度信息有效位信息；根据差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性信号，判断是否有一个高度源有效，高度有效则判断是否在高度门限内，是则连续5拍采集左、右主起轮载传感器信号，再判断轮载是否连续5拍为真，是则设置着陆接地状态标志，采集地面测控站指令，进行着陆接地状态操作。

Description

高空高速无人机着陆接地状态控制方法

技术领域

本技术涉及一种可用于大地测量、气象观测、城市环境检测、地球资源勘探和森林防火等高空高速自主起降式无人机(UAV)着陆接地状态综合判定的方法。

背景技术

在航空业中，无人机主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。有统计数据表明，有人驾驶飞机的飞行事故大量发生在飞机起飞降落过程中。对于自主起降式无人机而言，由于飞控计算机、地面遥测遥控人员取代了飞行员的作用，缺少了飞行员对着陆接地状态进行判断，并会根据着陆接地标志状态自动执行后续操作(如放阻力伞、关闭发动机等、以最大角度张开减速板等)；并且自主起降式无人机为控制整体使用成本，所需机场条件一般比客机或战斗机等有人飞机更恶劣，缺乏一些现代化的着陆导航手段。现有的无人机系统一旦缺乏人的控制决策干预，往往不能顺利完成任务。具体的存在以下弱点：目前无人机的控制方式主要包括遥控和程序/指令控制，控制方式落后。遥控是指操作员实时精确控制飞行器的气动舵面和发动机状态的过程，操作员需要适时观测信息以监控飞机并控制其机动，这种控制方式使得飞机与操纵人员之间的交互作用、协调和变化的程度要比有人飞机更复杂。一方面要求机载设备的自动化程度较高，要有安全可靠且冗长的数据链。另一方面对操纵人员的素质要求也很高，操纵人员不仅要监控飞机的飞行状态，适时改变航向，更重要的是，必须在关键时刻从“控制中心”发送动作指令，使飞机能够实时快速地机动。整个过程中通讯链路的可靠和畅通无疑是整个技术环节的关键，当通信链路不可靠或不畅通的时候，无人机将失去控制。程序/指令控制指按装订的内容(预编程序)由自动驾驶仪实现飞行器的自动控制，以完成预先确定的航路和规划的任务；指令控制则是向驾驶仪提供导引和管控指令。目前世界上已投入使用的多种长航时无人机一般都采用程控和指令控制的方案，但这种控制方式使得无人机严格按照预编程序飞行，当遇到空中威胁时，不能做到先机制敌或改变航线；当任务变更或威胁态势发生变化时，UAV也无法及时的升级任务需求，造成严重的后果。因无飞行员且机载系统复杂，当出现故障时，飞机本身不能排除和做出瞬时调整，通常要返回基地，这样就增加了摔机事故的发生率。自身携带的传感器少，执行任务时，无法及时判断地面目标的真假，需要在很大程度上依赖离机的各种传感器来获取信息，这就存在着一个大量信息流如何管理的问题，同时，由于是非实时的决策判断，往往会作出错误判断。无人机的活动范围是立体的，它在着陆时需要了解自己的高度，立体视觉系统能让他们估算出距离，但如果传感器之间的距离过短，测量会很不精确。自主着陆技术作为无人机自主控制的一项关键技术，是实现无人机回收和重复使用的前提，特别是高空高速自主起降无人机，由于目前标准机场跑道长度一般在2800m-3000m左右，降落时速度较大，必须在着陆接地后执行各种减速措施，以确保飞机不冲出跑道；这类无人机对着陆接地状态的判定方法必须安全可靠，否则一旦空中误判了着陆接地状态，从而自动执行了减速措施(如放阻力伞、关闭发动机、以最大角度张开减速板等)，势必导致飞机发生安全事故(如飞机失速坠毁)。无人机自动着陆系统是引导航空器着陆的自动控制系统，由地面设备和机上设备两部分组成。无人机自主着陆是无人机任务执行后顺利回收的重要阶段，无人机的自动着陆控制是无人机控制中的一个难点。无人机的着陆分为平飞、下滑、拉平和滑跑四个阶段。当无人机离地面近到一定程度时，控制系统会变得不稳定，机身会开始振荡。这并不是什么空气动力学效应，而是无人机自身的控制増益导致的振荡。当无人机到达给定高度时，由于速度向量不在水平位置而超越给定高度，出现正的高度差，到了这时舵才向下偏转，这样就不可避免地出现在给定高度上的振荡运动。下滑控制的最终目的是使飞机以足够的准确度跟踪预定的飞行轨迹。它是在角运动控制系统的基础上形成的。自动下滑过程一般是选择合适的下滑耦合器的控制律，通过俯仰角位移系统来修正实际轨迹和下滑线之间的偏差，使飞机沿给定飞行轨迹下滑。无人机在进场下滑过程中，由于受到侧风的影响，将带有一定的偏流角飞行，即飞机的机头方向不是对准跑道方向的。如果飞机以这种方式落地，因为机头方向与地速方向不一致，且机身长，机轮窄，飞机落地时将会产生一个使机头方向摆正的自动恢复力矩。在侧风小，偏流角也比较小时，这是允许的。但是，以大的偏流角接地会使机轮轴上产生的侧向力超过可接受范围，因而导致危险的事故发生。自动拉平阶段是飞机自动着陆最重要的阶段，也可以说飞机能否安全着陆关键看拉平的效果。而影响拉平效果的一个最重要的因素是看选什么样的拉平控制律。这种控制方案在拉平时需要某些调整以获得需要的初始下降速率或飞机的地速。同时采用这种控制方案需要飞机在特定的高度开始拉平才能工作。无人机自动着陆控制律设计与仿真无线电高度表，因此设备简单时，这种方案不能使用。并且，采用这种控制方案着陆精度比较差，所以很少使用。另外，风的扰动经常会造成下降速率的变化，从而造成拉平初始高度的变化，使得拉平的距离发生变化，难于实现定点着陆。因无飞行员且机载系统复杂，当出现故障时，飞机本身不能排除和做出瞬时调整，通常要返回基地，这样就增加了摔机事故的发生率。由于无人机自身携带的传感器少，执行任务时，无法及时判断地面目标的真假，需要在很大程度上依赖离机的各种传感器来获取信息，这就存在着一个大量信息流如何管理的问题，同时，由于是非实时的决策判断，往往会作出错误判断。无人机滑跑过程中需要将升降舵和襟翼向下打到一定角度，防止前轮过早的抬起来。根据针对无人机的飞行事故统计，无人机在起飞和着陆过程中最容易受地面障碍物、积水、结冰的影响，发生失稳、失控导致侧翻坠机，其中着陆期间的事故所占比重更大。据统计表明，虽然起飞着陆的时问只占整个飞行任务的2％-3％，但许多飞行事故都是发生在起飞着陆过程中。除本文涉及的高空高速自主起降无人机外，目前国内尚无同类无人机研制成功。国内目前的无人机多为中低空低速型无人机，有的甚至为伞降回收，偶有自主起降型，但由于着陆速度小，对着陆接地状态判定的要求也不高，一般方法为根据轮载传感器的压力信号判定，压力一旦超过门限值(一般为飞机重量的百分之几十)则判定飞机为着陆接地状态。只采用轮载信号判定，若飞机降落时升降速度控制良好，升降速度变化缓慢(升降加速度小)，轮载信号感知的压力变化也缓慢，此时会出现飞机已经着陆接地了，但飞控系统还未判定着陆接地状态的情况，从而导致各类着陆动作滞后；若两个轮载传感器(一般飞机两主起先接地)全部失效，无人机不会判断着陆接地，从而可能冲出跑道，导致着陆失败。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术在存在的上述缺陷，提供一种更加安全、可靠的高空高速无人机着陆接地状态控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高空高速无人机着陆接地状态控制方法，具有如下技术特征：高空高速自主起降式无人机着陆控制系统通过飞控计算机采集差分GPS信息，惯导GPS、大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2的高度值及有效性信号、判断设备是否有故障，是则设置差分GPS、惯导GPS、无线电高度表1、无线电高度表2、大气机高度信息有效位信息，否则返回判断设备是否有故障；根据差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性信号，判断是否有一个高度源有效，高度有效则判断是否在高度门限内，是则连续5拍采集左、右主起轮载传感器信号，再判断轮载是否连续5拍为真，是则设置着陆接地状态标志，采集地面测控站指令；地面测控站根据机载图象设备、目视观察的结果发出接地指令，飞控计算机控制阻力伞控制盒、发动机电调、机腹减速板舵机控制器、左、右减速板舵机控制器和刹车控制盒的状态进行着陆接地状态操作。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果，本发明根据高度传感器有效性、高度值、机载图象设备、地面站目视多种信息条件，并结合地面测控站综合判定着陆接地状态，此方法更加安全可靠，可以克服：当轮载传感器失效时，无人机不会判着陆接地状态；当飞机在高空时，轮载信号为真，误判着陆接地状态；当无人机着陆时由于升降加速度较小，轮载信号变化缓慢，从而对着陆接地状态判定滞后等三类典型的故障。解决了现有技术飞控系统还未判定着陆接地状态的情况，导致各类着陆动作滞后；两个轮载传感器全部失效，无人机不会判断着陆接地，可能冲出跑道，导致着陆失败的问题。仿真结果表明，本发明针对着陆轨迹的控制律，能够有效地实现无人机安全平稳着陆，符合预定的指标要求，使得无人机着陆控制系统的控制精度高,能够实现在极小的范围内实现无人机的自主起降，着陆精度控制在10cm之内，能满足无人机自动着陆的性能要求。

本发明对着陆控制律进行了鲁棒性验证，通过仿真，证明所本发明具有较高的控制精度和较强的鲁棒性，满足设计要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。

图1是本发明高空高速无人机着陆接地状态控制原理示意图；

图2是图1着陆接地状态判定流程图；

图3是无人机着陆接地状态综合判定处置流程图。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，高空高速自主起降式无人机着陆控制系统通过飞控计算机采集差分GPS信息，惯导GPS、大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2的高度值及有效性信号、判断设备是否有故障，是则设置差分GPS、惯导GPS、无线电高度表1、无线电高度表2、大气机高度信息有效位信息，否则返回判断设备是否有故障；根据差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性信号，判断是否有一个高度源有效，高度有效则判断是否在高度门限内，是则连续5拍采集左、右主起轮载传感器信号，再判断轮载是否连续5拍为真，是则设置着陆接地状态标志，采集地面测控站指令；地面测控站根据机载图象设备、目视观察的结果发出接地指令，飞控计算机控制阻力伞控制盒、发动机电调、机腹减速板舵机控制器、左、右减速板舵机控制器和刹车控制盒的状态进行着陆接地状态操作。

飞控计算机收集大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2、左右主起轮载信号、差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性，以及根据地面测控站、机载图象设备、目视观察的结果发出的接地指令，并根据图3所示的无人机着陆接地状态进行着陆接地状态的判定，一旦判定飞机为着陆接地状态，则执行图2所示的着陆接地状态操作，按照预定着陆轨迹安全着陆。

飞控计算机根据高度传感器有效性、高度值、机载图象设备、地面站目视多种信息条件，并结合地面测控站综合判定着陆接地状态；当高度传感器可用时，且高度小于门限值，只要两个轮载信号中有一个为真，且连续5拍都为真，判定飞机着陆接地有效；当高度传感器失效时，不再进行高度门限判断，直接根据轮载信号进行着陆接地状态判断，设置无人机的初始迎角和升降舵偏转角，使无人机所受的合力和合力矩为零，保持直线平飞。飞控计算机通过机载图象设备、地面站目视，一旦发现飞机离地高度小于门限值，若轮载信号出现较晚或试效，通过测控地面站发送接地指令，飞控系统强制判定为着陆接地状态，将高度偏差信号输入俯仰角控制系统，控制无人机的姿态，改变无人机的航迹倾斜角，控制无人机的升降，直至高度差为零，使无人机回到预定高度。

参阅图3。飞控计算机对无人机着陆接地状态判定，无人机转入着陆滑跑阶段，更改为着陆控制律，将发动机控制转速下降为39％，发出飞控发动机停车指令、飞控发动机腹减速板50度开指令和飞控发动机左、右机翼减速板60度开指令，延时1s后放阻力伞，延时1s后开始差动刹车，速度小于起落架轮胎允许速度后发送液压刹车指令。否则继续滚转改为平飞阶段控制律。

本领域内的技术人员可以明白，在不偏离本发明的精神和必要特性的情况下，可以以除了在此阐述的特定形式之外的其它特定形式来体现本发明。因此，上面的说明要在所有的方面被解释为说明性而非限制性的。应当通过所附的权利要求的合理解释确定本发明的范围，并且在本发明的等同范围内的所有改变旨在落入本发明的范围内。另外，不显式地从属于彼此的权利要求可以被组合以提供实施例，或者能够通过在提交本申请后的修改来增加新的权利要求。

Claims (6)

1.一种高空高速无人机着陆接地状态控制方法，具有如下技术特征：高空高速自主起降式无人机着陆控制系统通过飞控计算机采集差分GPS信息，惯导GPS、大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2的高度值及有效性信号、判断设备是否有故障，是则设置差分GPS、惯导GPS、无线电高度表1、无线电高度表2、大气机高度信息有效位信息，否则返回判断设备是否有故障；根据差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性信号，判断是否有一个高度源有效，高度有效则判断是否在高度门限内，是则连续5拍采集左、右主起轮载传感器信号，再判断轮载是否连续5拍为真，是则设置着陆接地状态标志，采集地面测控站指令；地面测控站根据机载图象设备、目视观察的结果发出接地指令，飞控计算机控制阻力伞控制盒、发动机电调、机腹减速板舵机控制器、左、右减速板舵机控制器和刹车控制盒的状态进行着陆接地状态操作。

2.如权利要求1所述的高空高速无人机着陆接地状态控制方法，其特征在于：飞控计算机收集大气机1、大气机2、无线电高度表1、无线电高度表2、左右主起轮载信号、差分GPS、惯导GPS的高度值及有效性，根据地面测控站、机载图象设备、目视观察的结果发出的接地指令，并根据无人机着陆接地状态进行着陆接地状态的判定，一旦判定飞机为着陆接地状态，则执行着陆接地状态操作，按照预定着陆轨迹安全着陆。

3.如权利要求1所述的高空高速无人机着陆接地状态控制方法，其特征在于：飞控计算机根据高度传感器有效性、高度值、机载图象设备、地面站目视多种信息条件，并结合地面测控站综合判定着陆接地状态；当高度传感器可用时，且高度小于门限值，只要两个轮载信号中有一个为真，且连续5拍都为真，判定飞机着陆接地有效。

4.如权利要求3所述的高空高速无人机着陆接地状态控制方法，其特征在于：当高度传感器失效时，不再进行高度门限判断，直接根据轮载信号进行着陆接地状态判断，设置无人机的初始迎角和升降舵偏转角，使无人机所受的合力和合力矩为零，保持直线平飞。

5.如权利要求4所述的高空高速无人机着陆接地状态控制方法，其特征在于：飞控计算机通过机载图象设备、地面站目视，一旦发现飞机离地高度小于门限值，若轮载信号出现较晚或失效，通过测控地面站发送接地指令，飞控系统强制判定为着陆接地状态，将高度偏差信号输入俯仰角控制系统，控制无人机的姿态，改变无人机的航迹倾斜角，控制无人机的升降，直至高度差为零，使无人机回到预定高度。

6.如权利要求1所述的高空高速无人机着陆接地状态控制方法，其特征在于：飞控计算机对无人机着陆接地状态判定，无人机转入着陆滑跑阶段，更改为着陆控制律，将发动机控制转速下降为39％，发出飞控发动机停车指令、飞控发动机腹减速板50度开指令和飞控发动机左、右机翼减速板60度开指令，延时1s后放阻力伞，延时1s后开始差动刹车，速度小于起落架轮胎允许速度后发送液压刹车指令，否则继续滚转改为平飞阶段控制律。