CN110989673A - 一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法，包括自主旋翼无人机、移动站GPS/北斗模块、动平台定位模块、动基站GPS/北斗模块、动平台无线通信模块和差分包无线通信模块；自主旋翼无人机与移动站GPS/北斗模块连接；动平台定位模块与动基站GPS/北斗模块连接；自主旋翼无人机与动平台定位模块之间通过动平台无线通信模块进行数据交互；移动站GPS/北斗与动基站GPS/北斗模块通过差分包无线通信模块进行数据交互；利用本技术提供的比较可靠控制方法在实验中旋翼无人机能在时速40km/h移动平台上稳定降落，降落误差半径小于30cm，能使用在无人机场，侦察机回收，舰载起降等技术领域。

Description

一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法

技术领域

一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法，特别涉及一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法。

背景技术

目前，无人机在军事(如：空中侦察、目标定位、通信中继等)以及民用(如：航空摄影、气象探测、巡检等)使用越来越广泛。为了降低成本，无人机的安全回收性(即在执行完既定任务后实现安全可靠的回收，重复使用)已经收到广泛的关注，为了保证安全回收性。目前如果要做到无人机的全自主安全回收，自主跟踪起降技术便是其中一个重要的关键技术，尤其是在移动平台上实现自主跟踪起降，要实现移动平台自主跟踪起降，首先必须准确知道无人机与移动平台之间的相对位置信息，这样无人机才能对移动平台进行跟踪，而且做到在移动平台上自主起降。目前利用定基站RTK技术实现对无人机和移动平台的精准定位方式进行自主跟踪起降是比较常用的方式，但是这种方式局限性在于：首先，此种技术得在作业范围内选择合适的位置架设基站，比较麻烦，在作战等需要快速响应的情况下不能快速布置。其次，其作业范围受限于定基站与无人机和移动平台的无线通信距离，一旦超过作业范围定基站通信异常，无人机和移动平台无法获得精准定位，无人机和移动平台的相对距离过大，就无法做到自主起降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统及控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，包括自主旋翼无人机、移动站GPS/北斗模块、动平台定位模块、动基站GPS/北斗模块、动平台无线通信模块和差分包无线通信模块；自主旋翼无人机与移动站GPS/北斗模块连接；动平台定位模块与动基站GPS/北斗模块连接；自主旋翼无人机与动平台定位模块之间通过动平台无线通信模块进行数据交互；移动站GPS/北斗与动基站GPS/北斗模块通过差分包无线通信模块进行数据交互；

自主旋翼无人机包括飞行控制单元和无人机导航单元；飞行控制单元用于实现使飞机达到预期的位置，速度和姿态，并会实时监测无人机的状态指标；

无人机导航单元用于给飞行控制单元提供无人机的三维空间位置，速度和姿态；

移动站GPS/北斗模块用于接收GPS/北斗信号，并处理来自动基站GPS/北斗模块提供的差分包数据，得到移动站GPS/北斗模块与动基站GPS/北斗模块之间的三维精准相对位置信息，提供给无人机导航单元；

动平台定位模块用于给无人机导航单元提供移动平台的三维空间位置，速度和姿态信息；

动基站GPS/北斗模块用于接收GPS/北斗信号，并提供差分数据包给移动站GPS/北斗模块。

进一步的，飞行控制单元实时监测的状态指标包括电池电压、飞机间通讯状态和电机饱和状态。

进一步的，无人机导航单元利用扩展卡尔曼滤波算法解算出飞机的三维空间位置，速度和姿态，并解算出无人机与动平台之间的三维相对位置与速度信息；动平台定位模块利用扩展卡尔曼滤波算法解算出移动平台的三维空间位置，速度和姿态，提供给无人机导航单元使用。

进一步的，移动站GPS/北斗模块提供的GPS/北斗定位信息和电子罗盘数据通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出飞机的三维空间位置，速度和姿态；动基站GPS/北斗模块提供的GPS/北斗定位信息和电子罗盘数据通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出移动平台的三维空间位置、速度和姿态。

进一步的，无人机导航单元将飞机的三维空间位置和速度与移动平台的三维空间位置和速度做差得到无人机与移动平台之间的低精度相对位置和速度信息；移动站GPS/北斗模块处理动基站GPS/北斗模块的差分包数据得到高精度相对位置信息。

进一步的，一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，无人机导航单元对低精度相对位置和速度信息与高精度相对位置信息通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出无人机与移动平台之间高精度的三维空间地理坐标系下的相对位置；

步骤2，调整移动平台的车头方向使移动平台坐标系OX轴与地理坐标系OX轴重合；

步骤3，将旋翼无人机放置在移动平台的起降区，调整无人机位置使无人机处于起降平台中心位置；飞行控制单元记录当前的高精度的三维空间相对位置作为无人机与移动平台之间期望的跟随和降落位置；

步骤4，飞行控制单元利用无人机导航单元提供的实时高精度的三维空间相对位置和速度，通过经典PID控制算法在飞行中时刻保持与移动平台相同的水平位置，在降落过程中能准确降落在起降区。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明在使用中获得了很好的效果，设备安装固定，不需要另外分离式设备，不受作业半径的影响，在任何具有GPS/北斗信号的地方可以立即展开使用，而且采用动平台无线通信模块和差分包无线通信模块双冗余无线通信链路，在其中一路受到干扰后还能维持作业。利用本技术提供的比较可靠控制方法在实验中旋翼无人机能在时速40km/h移动平台上稳定降落，降落误差半径小于30cm，能使用在无人机场，侦察机回收，舰载起降等技术领域。

附图说明

图1是整个系统组成图；

图2是移动平台演示图

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

第一部分：旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统包括一架自主旋翼无人机、移动站GPS/北斗模块、动平台定位模块、动基站GPS/北斗模块、动平台无线通信模块和差分包无线通信模块。其中，自主无人机包括飞行控制单元和无人机导航单元。无人机与移动站GPS/北斗模块连接。动平台定位模块与动基站GPS/北斗模块连接。无人机与动平台定位模块之间通过动平台无线通信模块进行数据交互。移动站GPS/北斗与动基站GPS/北斗模块通过差分包无线通信模块进行数据交互。

无人机导航单元将飞机的三维空间位置和速度与移动平台的三维空间位置和速度做差得到无人机与移动平台之间的低精度相对位置和速度信息(由于移动站GPS/北斗模块和动基站GPS/北斗模块提供的GPS/北斗定位信息均为单点GPS/北斗定位信息，误差比较大，一般在1米左右，因此称为低精度)。移动站GPS/北斗模块处理动基站GPS/北斗模块的差分包数据得到高精度相对位置信息(由于采用差分技术，误差在厘米级，因此称为高精度)。由于无人机在进行全自主跟随起降控制中需要知道无人机与移动平台之间的三维空间相对位置和速度，低精度的相对位置和速度误差较大，高精度只有相对位置没有相对速度信息，因此，无人机导航单元对低精度相对位置和速度信息与高精度相对位置信息通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出无人机与移动平台之间高精度的三维空间地理坐标系下的相对位置Δx，Δy，Δz和速度Δvelx，Δvely，Δvelz。

第二部分：调整移动平台的车头方向使移动平台坐标系OX轴与地理坐标系OX轴重合(即车头指向正北方向)，将旋翼无人机放置于(或手动飞行降落至)移动平台的起降平台上，并微调无人机位置使无人机处于起降平台中心位置，记录此时无人机与移动平台之间地理坐标系下的高精度相对位置Δx，Δy，Δz，此相对位置即为无人机与移动平台之间跟随和降落时移动平台坐标系下期望的相对位置，记为Δx_origin，Δy_origin和Δz_origin。此标定数据，在无人机结构，动基站GPS/北斗信号接收点和起降平台固定的情况下仅需采集一次。采用一键全自主起飞或手动起飞无人机至一定高度后无人机进入移动平台跟踪模式(保持在起降平台正上方飞行，且高度上以速度velz上升，下降或保持恒定)，接收到回收指令后，无人机一边维持在起降平台正上方飞行，一边以velz的速度下降，最终降落至起降平台，实现回收。

第三部分：飞行控制单元通过经典PID控制算法原理，为了保持跟踪，以位置控制为最外环控制。本发明提出新的控制算法，使控制效果更加稳定。

首先，由于导航数据和控制算法均基于地理坐标系，水平通道移动平台坐标系下的位置得转至地理坐标系，即：

ΔQx＝Δx_origin*cos(moveplate_yaw)-Δy_origin*sin(moveplate_yaw) (式1)

ΔQy＝Δx_origin*sin(moveplate_yaw)+Δy_origin*cos(moveplate_yaw) (式2)

式中，moveplat_yaw为动平台定位模块结算的移动平台的偏航角，ΔQx,ΔQy为无人机与移动平台之间跟随和降落时期望的地理坐标系下的水平相对位置。

由于高度通道的输入为上升和下降的速度，得转为期望位置，即：

ΔQz＝Δz+velz*dt (式3)

式中，dt为控制步长，ΔQz为无人机与移动平台之间期望的相对高度。

然后，计算实时地理坐标系下的相对位置误差：

ErrorposΔx＝ΔQx-Δx (式4)

ErrorposΔy＝ΔQy-Δy (式5)

ErrorposΔz＝ΔQz-Δz (式6)

再计算地理坐标系下相对速度误差：

ErrorΔx＝Kposx*ErrorposΔx-Δvelx (式7)

ErrorΔy＝Kposy*ErrorposΔy-Δvely (式8)

ErrorΔz＝Kposz*ErrorposΔz-Δvelz (式9)

式中，Kposx,Kposy和Kposz为相对位置误差增益系数，加入高精度的实时相对速度作为前馈，提高系统响应，而且避免了利用无人机导航自身速度信息进行控制产生的误差。

最后，使用标准PID算法，输入ErrorΔx,ErrorΔy，PID输出得到水平方向期望的加速度，利用加速度与角度的数学理论关系转换为期望角度，经过角度控制器使旋翼无人机水平方向保持在起降平台正上方。

使用标准PID算法，输入ErrorΔz，PID输出得到高度通道期望的油门值，实现使旋翼无人机以设定速度上升，下降或高度保持。

在回收过程中，需要不断判断旋翼无人机与起降平台的高度，即：

Δdistz＝Δz-Δz_origin (式10)

当无人机下降至一定高度(如Δdistz＝30cm处)，保持高度恒定即velz为0，不断判断ErrorposΔx和ErrorposΔy是否小于设定阈值即无人机是否处于起降平台内，如果条件满足，关闭旋翼无人机动力，旋翼无人机便会依靠重力瞬间落在起降平台上，完成回收任务。

Claims (6)

1.一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，其特征在于，包括自主旋翼无人机、移动站GPS/北斗模块、动平台定位模块、动基站GPS/北斗模块、动平台无线通信模块和差分包无线通信模块；自主旋翼无人机与移动站GPS/北斗模块连接；动平台定位模块与动基站GPS/北斗模块连接；自主旋翼无人机与动平台定位模块之间通过动平台无线通信模块进行数据交互；移动站GPS/北斗与动基站GPS/北斗模块通过差分包无线通信模块进行数据交互；

自主旋翼无人机包括飞行控制单元和无人机导航单元；飞行控制单元用于实现使飞机达到预期的位置，速度和姿态，并会实时监测无人机的状态指标；

无人机导航单元用于给飞行控制单元提供无人机的三维空间位置，速度和姿态；

移动站GPS/北斗模块用于接收GPS/北斗信号，并处理来自动基站GPS/北斗模块提供的差分包数据，得到移动站GPS/北斗模块与动基站GPS/北斗模块之间的三维精准相对位置信息，提供给无人机导航单元；

动平台定位模块用于给无人机导航单元提供移动平台的三维空间位置，速度和姿态信息；

动基站GPS/北斗模块用于接收GPS/北斗信号，并提供差分数据包给移动站GPS/北斗模块。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，其特征在于，飞行控制单元实时监测的状态指标包括电池电压、飞机间通讯状态和电机饱和状态。

3.根据权利要求1所述的一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，其特征在于，无人机导航单元利用扩展卡尔曼滤波算法解算出飞机的三维空间位置，速度和姿态，并解算出无人机与动平台之间的三维相对位置与速度信息；动平台定位模块利用扩展卡尔曼滤波算法解算出移动平台的三维空间位置，速度和姿态，提供给无人机导航单元使用。

4.根据权利要求1所述的一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，其特征在于，移动站GPS/北斗模块提供的GPS/北斗定位信息和电子罗盘数据通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出飞机的三维空间位置，速度和姿态；动基站GPS/北斗模块提供的GPS/北斗定位信息和电子罗盘数据通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出移动平台的三维空间位置、速度和姿态。

5.根据权利要求1所述的一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，其特征在于，无人机导航单元将飞机的三维空间位置和速度与移动平台的三维空间位置和速度做差得到无人机与移动平台之间的低精度相对位置和速度信息；移动站GPS/北斗模块处理动基站GPS/北斗模块的差分包数据得到高精度相对位置信息。

6.一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的一种旋翼无人机动平台自主跟踪起降系统，包括以下步骤：

步骤1，无人机导航单元对低精度相对位置和速度信息与高精度相对位置信息通过扩展卡尔曼滤波算法进行融合，解算出无人机与移动平台之间高精度的三维空间地理坐标系下的相对位置；

步骤2，调整移动平台的车头方向使移动平台坐标系OX轴与地理坐标系OX轴重合；

步骤3，将旋翼无人机放置在移动平台的起降区，调整无人机位置使无人机处于起降平台中心位置；飞行控制单元记录当前的高精度的三维空间相对位置作为无人机与移动平台之间期望的跟随和降落位置；

步骤4，飞行控制单元利用无人机导航单元提供的实时高精度的三维空间相对位置和速度，通过经典PID控制算法在飞行中时刻保持与移动平台相同的水平位置，在降落过程中能准确降落在起降区。

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