CN110989667A - 基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置及其方法，将气压传感器安装在小型无人机的各个翼面上，将测量得到的瞬时气压信息送入数据处理模块，数据处理模块根据扰动力矩估计算法，实时估算出无人机受到的扰动力矩，将估算得到的干扰力矩信息传入飞控模块，飞控模块解算得到舵机偏转指令，控制舵机偏转，保持飞行状态稳定。本发明利用贴装在机翼表面的气压传感器，测量气流状态，及时感知气流变化，解算控制指令，起到增加飞行稳定性的作用。

Description

基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，特别涉及小型无人机的抗阵风扰动的控制。

背景技术

近年来无人机的快速发展使其在社会生产的各方面得到应用，尤其是中小型无人机更是深入到生产生活的各个方面。与旋翼类无人机不同，固定翼无人机主要靠升力面与气流的相对运动产生的升力平衡重力。气流的波动、流动的不稳定都会对无人机的气动力产生很大的影响，进而带来姿态及航迹的改变。气流与建筑物和树木的相互作用使得近地面的流场较为复杂，湍流、漩涡时有发生。对于小型无人机，机身尺度小，与湍流漩涡尺度接近。湍流经过无人机时，甚至能引起机身流场的不对称，这给小型无人机的安全飞行带来了严峻的考验。

传统的无人机控制方式是依靠惯组(IMU)或水平仪等检测姿态角的变化，从而产生修正指令。传统飞行稳定系统的性能受到角度测量传感器延迟及精度的制约。在有风和建筑树木的情况下，基于IMU的传统飞控系统往往难以保证飞行的安全性，这就极大地降低了无人机的作业时间和区间，降低了工作效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，利用分布在机翼的微型气压传感器估计出扰动力矩，并根据扰动力矩由控制系统输出相应的补偿舵偏指令，以达到提高现有小型无人机抗扰动的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，包括气压传感器、数据处理模块、飞控模块和舵机。

所述的气压传感器安装在小型无人机的各个翼面上，将测量得到的瞬时气压信息送入数据处理模块，数据处理模块根据扰动力矩估计算法，实时估算出无人机受到的扰动力矩，将估算得到的干扰力矩信息传入飞控模块，飞控模块解算得到舵机偏转指令，控制舵机偏转，保持飞行状态稳定。

所述的气压传感器安装在机翼、尾翼的两端及中部。

所述的气压传感器在机翼展向配置方式为翼尖和翼根区的数量大于翼中段数量。

所述的气压传感器的机翼弦向配置方式为机翼前缘的密度大于机翼后缘密度。

所述的飞控模块提供的舵机偏转指令，和主控制器的舵指令一起作用于舵机；当无人机进行主动转弯时，飞控模块提供的舵机偏转指令不输出至舵机。

本发明还提供一种基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制方法，包括以下步骤：

步骤1，无人机起飞并转入平稳飞行即巡航段后，自行启动或根据地面站发送指令启动所述的增稳控制装置；当无人机进行主动转弯时，增稳控制装置不输出至舵机；

步骤2，利用贴装在主翼左右翼面上的气压传感器估算出滚转扰动力矩，送入增稳控制装置的滚转通路，输出副翼的补偿舵偏指令；

步骤3，利用贴装在主翼翼面和水平尾翼上的气压传感器估算出俯仰扰动力矩，送入增稳控制装置的俯仰通路，输出升降舵的补偿舵偏指令；

步骤4，利用贴装在垂直尾翼上的气压传感器估算出偏航扰动力矩，送入增稳控制装置的偏航通路，输出方向舵的补偿舵偏指令。

定义右侧主翼、左侧主翼、右侧平尾、左侧平尾和垂尾分别为1～5号翼面，则俯仰通道不稳定气流引起的扰动力矩

式中，m_i是第i个传感器距离俯仰轴的距离，k_主为主翼面力矩修正系数，k_尾为尾翼力矩修正系数，p_i是气压传感器的测量测量值，S_i是气压传感器所测量的面积，上下翼面指机翼的上下表面；滚转通道不稳定气流引起的扰动力矩

偏航通道不稳定气流引起的扰动力矩

得到补偿升降舵偏量

补偿副翼舵偏量

补偿方向舵偏量

本发明的有益效果是：

无人机在飞行过程中的扰动主要来源于机体周围的气流变化，及时地感知气流扰动对于增加无人机的飞行稳定性和抗干扰能力至关重要。

常规无人机飞行控制器主要以惯性测量组件(IMU)为主要姿态传感器，通过测量机体的惯性运动(姿态偏移和位置偏移)，并与基准值作对比，从而解算出控制指令，若想取得良好的控制效果，传统増稳飞行控制器需要精度高、延迟低的IMU。

传统无人机飞行增稳控制方法没有充分利用无人机周围的气流信息，本发明利用贴装在机翼表面的气压传感器，测量气流状态，及时感知气流变化，解算控制指令，起到增加飞行稳定性的作用。

附图说明

图1是增稳飞行控制系统示意图；

图2是小型固定翼无人机机翼传感器站位示意图；

图3是流体计算得到站位1-5的压力系数曲线图；

图4是流体计算得到站位5-9的压力系数曲线图；

图5是微型气压传感器配置正视图；

图6是微型气压传感器配置斜视图；

图7是小型无人机增稳控制流程图；

图8是辅助增稳控制器指令执行逻辑图；

图中，1-右侧主翼，2-左侧主翼，3-右侧平尾，4-左侧平尾，5-垂尾。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种飞行控制装置，包括安装在各个翼面上的微型气压传感器阵列、数据处理模块、电源模块、飞控模块和舵机。

所述气压传感器的通用配置规则：微型气压传感器尽量密集地安装在所有气动面上，并避免或减小气压传感器影响流经无人机的气流。

所述气压传感器配置的补充规则：受限于气压传感器的结构尺寸、接线布局和价格成本，无法在小型无人机上安装足够多的气压传感器，因此给出传感器的简化配置形式。所述简化配置形式：配置在气动变化剧烈的特定点处，如机翼、尾翼的两端及中部。

所述气压传感器的机翼展向配置方式：传感器配置在翼尖和翼根区，翼中段可减少传感器数量。

所述气压传感器的机翼弦向配置方式：机翼前缘较密，机翼后缘较疏。

所述微型气压传感器连接数据处理模块，数据处理模块连接飞控模块；电源模块提供3.3V电压输出，为气压传感器和数据处理模块供电；飞控模块包含逻辑判断、三通路PID控制器、陀螺仪、加速度计和外围电路等。

上述各模块的连接关系如图1所示，电源为所有子系统供电，微型气压传感器连接数据处理模块，不同气动面上的传感器将测量得到的瞬时气压信息送入数据处理模块，数据处理模块采集微型气压传感器阵列测量的无人机翼面的气压信息，并进行滤波处理，根据扰动力矩估计算法，实时估算出无人机受到的扰动力矩，将估算得到的干扰力矩信息传入飞控模块，飞控模块解算舵机偏转指令，通过放大器控制舵机偏转，从而达到保持飞行状态稳定的目的。

如图8所示，增稳控制器是主控制器的辅助装置，并和主控制器一起构成了本发明所述的增稳控制方法。如图7所示，辅助的增稳控制器分为俯仰、偏航和滚转三个通路。

所述的辅助增稳控制器的具体工作过程如下：

步骤1：无人机起飞并转入平稳飞行即巡航段后，自行启动或地面站发送指令启动辅助增稳控制器；

步骤2：当无人机进行主动转弯时，挂起辅助增稳控制器，即辅助增稳控制器产生的舵补偿指令不输出至舵机，此时的无人机完全由手动遥控或主飞控程序系统控制。

步骤3：利用贴装在主翼左右翼面上的气压传感器估算出滚转扰动力矩(参考公式(4)～(6))，送入辅助增稳控制器的滚转通路，输出副翼的补偿舵偏指令(参考公式(13))，补偿指令加到主飞控系统输出的副翼指令之上。

步骤4：利用贴装在主翼翼面上和水平尾翼上的气压传感器估算出俯仰扰动力矩(参考公式(1)～(3))，送入辅助增稳控制器的俯仰通路，输出升降舵的补偿舵偏指令(参考公式(12))，补偿指令加到主飞控系统输出的升降舵指令之上。

步骤5：利用贴装在垂直尾翼上的气压传感器估算出偏航扰动力矩(参考公式(7)～(9))，送入辅助增稳控制器的偏航通路，输出方向舵的补偿舵偏指令(参考公式(14))，补偿指令加到主飞控系统输出的方向舵指令之上。

本实施例中，微型气压传感器在小型固定翼无人机表面上的配置方式如图2所示，在主翼沿展向翼段截取9个站位(10％～90％)，其中内段压力分布如图3所示，外段压力分布如图4所示。分析图中压力曲线可知，从翼根到翼尖，压力分布曲线在缓慢变化，呈现连续性，在翼根和翼尖处变化较大，而机翼中段变化缓慢。

因此可得出机翼气压传感器配置的原则：

1.当不受传感器结构尺寸、成本经费和接线布局限制时，应尽量在无人机的所有外表面安装尽量密集的气压传感器；

2.当无人机只允许安装少量气压传感器时，应将传感器配置在机翼的翼尖和翼根区，机翼中段减少传感器数量。

如图5和6所示，小型无人机的一种可行的气压传感器配置形式，其安装的气压传感器数量受限。

如图6所示，在左右两侧主翼(编号1和2)的顶端和中部，分别安装有两列气压传感器。顶端处在10％半展长处，中部在50％半展长处。弦向配置方式采用平均分布4个传感器，即弦向坐标分别为：20％、40％、60％和80％。

在左右两侧平尾(编号3和4)上分别安装有两列传感器，展向坐标为30％和60％。弦向采用平均分布，3个传感器的弦向坐标为25％、50％和75％。

在垂尾(编号5)上安装有3个传感器，展向坐标分别为30％、50％和75％，弦向坐标分别为30％、60％和30％。

图5和6中黑色圆圈代表微型气压传感器，在翼面的背面相同位置上，安装有该传感器，即两个传感器贴装在翼面相同位置的两侧。

如图6所示的样例无人机，将主要的气动面(主翼和尾翼)分为5个部分：右侧主翼1、左侧主翼2、右侧平尾3、左侧平尾4和垂尾5。

估计俯仰扰动力矩：

全机俯仰力矩M主要由主翼和平尾产生，即1～4号翼面。

式中，m_i是第i个传感器距离俯仰轴的距离，k_主为主翼面力矩修正系数，k_尾为尾翼力矩修正系数，p_i是气压传感器的测量测量值，S_i是气压传感器所测量的面积，上下翼面指机翼的上下表面。

M可分为两部分：

M＝M₀+M_D (2)

M₀是稳定平飞时的俯仰力矩，其值约等于0；M_D是湍流等不稳定气流引起的扰动力矩，则

估计滚转扰动力矩：

湍流引起的滚转扰动力矩主要由两侧的主翼面产生，即翼面1和翼面2。

无人机飞行时的全机滚转力矩L可按如下方式近似表示：

式中，p_i是该翼面中第i个气压传感器的测量值，S_i是第i个传感器的特征面积，l_i是第i个传感器距离机体滚转轴的距离，k_L为比例系数。

L可分为两部分：

L＝L₀+L_D (5)

L₀是稳定平飞时的滚转力矩，其值约等于0；L_D是湍流等不稳定气流引起的扰动力矩，则

估计偏航扰动力矩：

偏航力矩N主要由垂尾产生。

式中，n_i是第i个传感器距离偏航轴的距离。

全机偏航力矩可分为两部分：

N＝N₀+N_D (8)

N₀是稳定平飞时的偏航力矩，其值约等于0；N_D是湍流等不稳定气流引起的扰动力矩，则

根据估计得到的扰动力矩解算补偿舵偏量。

俯仰通道：

根据飞行力学知识，升降舵产生的俯仰控制力矩M_e为：

式中，

是动压，S_ref是参考面积，L_ref是参考长度，δ_e是升降舵偏角，

是俯仰力矩系数对升降舵偏角的导数。

当补偿升降舵偏产生的俯仰补偿力矩ΔM_e等于俯仰扰动力矩M_D时，此时可以完全抵消掉扰动，即

ΔM_e＝-M_D (11)

可得补偿升降舵偏量为Δδ_e：

同理可得补偿副翼舵偏量Δδ_a：

补偿方向舵偏量Δδ_r：

Claims (7)

1.一种基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，包括气压传感器、数据处理模块、飞控模块和舵机，其特征在于：所述的气压传感器安装在小型无人机的各个翼面上，将测量得到的瞬时气压信息送入数据处理模块，数据处理模块根据扰动力矩估计算法，实时估算出无人机受到的扰动力矩，将估算得到的干扰力矩信息传入飞控模块，飞控模块解算得到舵机偏转指令，控制舵机偏转，保持飞行状态稳定。

2.根据权利要求1所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，其特征在于：所述的气压传感器安装在机翼、尾翼的两端及中部。

3.根据权利要求1所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，其特征在于：所述的气压传感器在机翼展向配置方式为翼尖和翼根区的数量大于翼中段数量。

4.根据权利要求1所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，其特征在于：所述的气压传感器的机翼弦向配置方式为机翼前缘的密度大于机翼后缘密度。

5.根据权利要求1所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制装置，其特征在于：所述的飞控模块提供的舵机偏转指令，和主控制器的舵指令一起作用于舵机；当无人机进行主动转弯时，飞控模块提供的舵机偏转指令不输出至舵机。

6.一种利用权利要求1所述装置的根据权利要求1所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，无人机起飞并转入平稳飞行即巡航段后，自行启动或根据地面站发送指令启动所述的增稳控制装置；当无人机进行主动转弯时，增稳控制装置不输出至舵机；

步骤2，利用贴装在主翼左右翼面上的气压传感器估算出滚转扰动力矩，送入增稳控制装置的滚转通路，输出副翼的补偿舵偏指令；

步骤3，利用贴装在主翼翼面和水平尾翼上的气压传感器估算出俯仰扰动力矩，送入增稳控制装置的俯仰通路，输出升降舵的补偿舵偏指令；

步骤4，利用贴装在垂直尾翼上的气压传感器估算出偏航扰动力矩，送入增稳控制装置的偏航通路，输出方向舵的补偿舵偏指令。

7.根据权利要求6所述的基于微型气压传感器的小型无人机增稳控制方法，其特征在于：定义右侧主翼、左侧主翼、右侧平尾、左侧平尾和垂尾分别为1～5号翼面，则俯仰通道不稳定气流引起的扰动力矩

式中，m_i是第i个传感器距离俯仰轴的距离，k_主为主翼面力矩修正系数，k_尾为尾翼力矩修正系数，p_i是气压传感器的测量测量值，S_i是气压传感器所测量的面积，上下翼面指机翼的上下表面；滚转通道不稳定气流引起的扰动力矩

偏航通道不稳定气流引起的扰动力矩

得到补偿升降舵偏量

补偿副翼舵偏量

补偿方向舵偏量

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