CN111026151A - 针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法，涉及航空保障设备领域。包括舵面零位识别、舵面偏转角度获取、自适应标定计算、校验确认四个步骤。本发明技术方案实现了对无人机舵面的高精度控制。在实际操作过程中，充分考虑了舵面的死区特性和间隙特性，确保标定参数与实际舵偏角的一致性。该方法广泛适用于多种小型固定翼无人机舵面的标定工作，提升了无人机舵面的控制精度，进而提升了整个无人机系统的控制精度和飞行效果，对无人机(或其他类似平台)舵面的标定工作具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

Description

针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法

技术领域

本发明涉及航空保障设备领域，具体涉及一种针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法，主要针对无人机舵面(执行机构)具有严重死区特性(或间隙特性)的情况。

背景技术

无人机舵面作为无人机最为重要的执行机构，其动作的精度和可靠性对无人机安全稳定飞行具有重大意义。为保持较高的舵面动作精度，当前无人机舵面控制普遍采用如下两种方案。

方案1，对无人机舵面加装位置(或角度)测量传感器，以舵面偏转角度为被控对象，形成闭环控制。该方案具有测量精度高、操作简单等优点，但也存在额外增加传感器、增大飞行重量(体积)、增加成本等缺点。另外，随着电子信息技术的发展，无人机小型化、微型化发展成为重要趋势，受制于重量、体积、成本等方面的限制，该方案不适宜在小型、微型无人机上应用。

方案2，根据舵机与舵面的具体安装方案，计算舵机偏转角度与舵面偏转角度的对应关系，并将该对应关系应用到舵面控制中。该方案具有简单易行、节省成本、可靠性高等优点，但存在舵面动作误差偏大的缺点，尤其是当无人机发生机械结构磨损、结构件存在较大加工误差等情况时，舵面动作角度误差将可能达到影响无人机正常飞行的程度。

无人机小型化、微型化发展是近年来无人机发展的重要趋势，微小型无人机其具有体积小、重量轻、成本低、机械结构易磨损、零部件公差相对偏大、舵面驱动方式多样化(复杂化)等特点，舵面偏转普遍具有严重的空回(间隙)特性。但微小型无人机本身固有运动频率较大，对舵面的快速精确响应有更高的需求。显然，上述两种舵面控制方案不能完全满足微小型无人机的舵面动作控制需求。

发明内容

针对上述缺陷，本发明描述了一种适用于微小型无人机的舵面标定方法，使得无需在无人机上加装任何硬件设备，仅需要在设备第一次使用前，对PWM输出信号与舵面实际偏转角度采用最小二乘法进行拟合，就能得到吻合效果良好的控制曲线，实现了对无人机舵面的高精度控制。在实际操作过程中，充分考虑了舵面的死区特性和间隙特性，确保标定参数与实际舵偏角的一致性。

根据本发明，提供了一种针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：舵面零位识别，寻找舵面配平零位(或控制零位)基准点，即舵面动作基准点；

步骤2：第一舵面偏转角度获取，根据飞行控制需求和舵面偏转角度的机械限制，确定舵面偏转角度的范围，并选取相对舵面动作基准点的多组第一舵面偏转角度为采样点；

步骤3：自适应标定计算，根据采样点数据，采用最小二乘方法进行采样点数据拟合；

步骤4：校验确认，对第二舵面偏转角度进行实际偏转输出，并计算理论值与实测值的均方误差，若均方误差在给定阈值的范围内，则完成标定，否则，重新进行上述步骤。

进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤11：舵面零位粗对准，通过偏转舵面，使其与零位基准点附近；

步骤12：舵面零位精对准，通过偏转舵面，使其处于零位基准点处；

步骤13：零位存储，记录当前零位基准点对应的控制输出量PWM₀。

进一步的，所述步骤11中，偏差在1.5度范围内；所述步骤12中，偏差在0.2度范围内。

进一步的，所述步骤13中，所述控制输出量为PWM值。

进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤21：正偏转角度获取，在正偏转角度活动区域内，自小到大均匀选取j组舵面偏转角度δ_i进行采样，记录对应的控制输出量PWM_i，i∈(1,2,...,j)，j为大于等于1的整数；

步骤22：负偏转角度获取，在负偏转角度活动区域内，自小到大均匀选取j组舵面偏转角度δ_i+j进行采样，记录对应的控制输出量PWM_i+j。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤31：根据舵面偏转角度大小对2j+1个采样点进行顺序排列，所述采样点包含基准点[0,0]，并记录采样数据[δ_n,Δ_{PWM_n}]，其中n∈(1,2,...,2j+1)，j为大于等于1的整数，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差；

步骤32：采用最小二乘方法，对顺序排序后采样点数据进行拟合，计算拟合参数。

进一步的，所述步骤32具体为：

假设拟合公式为f(x)＝ax³+bx²+cx，其中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，x为指令舵面偏转角度，则根据最小二乘方法：

求解使得Δ最小的拟合参数[a,b,c]，分别对a、b、c进行求导并令其为0，解得参数解析式：

上式中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，δ_n为采样点舵面偏转角度，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差。

进一步的，所述步骤4具体包括：

步骤41：在舵面偏转范围内，均匀顺序选取K组第二舵面偏转角度，并根据拟合公式输出，作为指令舵面偏转角度δ_m，m∈(1,2,...,K)，K为大于等于1的整数；

步骤42：采集所述K组第二舵面偏转角度的实际值，作为实际舵面偏转角度δ_cm；

步骤43：计算指令舵面偏转角度和实际舵面偏转角度的均方误差，若均方误差小于阈值时，通过验证；否则，返回步骤1。

进一步的，所述步骤43具体包括：将指令舵面偏转角度δ_m代入到公式f(x)＝ax³+bx²+cx中，计算得到拟合的控制输出量PWM_cm＝PWM₀+f(δ_m)，采集PWM_cm对应的实际舵面偏转角度δ_cm,统计分析指令舵面偏转角度δ_m与实际舵面偏转角度δ_cm的均方误差：

当均方误差MSE小于阈值时，验证通过；否则，返回步骤1。

进一步的，所述阈值为0.5°。

本发明的有益效果：

本发明无需在无人机上加装任何硬件设备，仅需要在设备第一次使用前，对PWM输出信号与舵面实际偏转角度采用最小二乘法进行拟合，就能得到吻合效果良好的控制曲线。这样既没有增加无人机舵面的结构重量，又避免了传统舵面控制时舵面动作误差偏大的缺点，实现了对无人机舵面的高精度控制。在实际操作过程中，充分考虑了舵面的死区特性和间隙特性，确保标定参数与实际舵偏角的一致性。该方法广泛适用于多种小型固定翼无人机舵面的标定工作，提升了无人机舵面的控制精度，进而提升了整个无人机系统的控制精度和飞行效果，对无人机(或其他类似平台)舵面的标定工作具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出根据本发明的针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法流程图；

图2示出根据本发明实施例的舵面零位识别示意图；

图3示出根据本发明实施例的偏转角度获取示意图；

图4示出根据本发明实施例的自适应标定计算示意图；

图5示出根据本发明实施例的校验确认示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

图1示出根据本发明的针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法流程图，包括：

步骤101，舵面零位识别阶段，主要任务是寻找舵面配平零位(或控制零位)，即舵面动作基准点。

步骤102，舵面偏转角度获取阶段，根据飞行控制需求和舵面偏转角度的机械限制，确定舵面偏角的范围，并选取相对基准点的多组偏角为采样点。

步骤103，自适应标定计算阶段，根据采样点数据，采用最小二乘方法进行采样数据拟合。

步骤104，校验确认阶段，对特定舵面偏角进行实际偏转输出，并计算理论值与实测值的均方误差，若均方误差在给定阈值范围内，则完成标定，否则，重新进行上述步骤。

图2为舵面零位识别示意图。共包含3个部分，第1部分为舵面零位粗对准，通过偏转舵面，使其到达基准点附近(偏差在1.5度范围内)。第2部分为舵面零位精对准，通过偏转舵面，使其恰好处于基准点处(偏差在0.2度范围内)。第3部分为零位存储，嵌入式处理器记录当前基准点对应的控制输出量(一般为PWM值)。

图3为偏转角度获取示意图。共包含2个部分，第1部分，正偏转角度获取，在正偏转角度活动区域内，均匀选取4个点进行采样记录。第2部分，负偏转角度获取，在负偏转角度活动区域内，均匀选取4个点进行采样记录。

图4为自适应标定计算示意图。当获取到所有采样点数据后，采用最小二乘方法，对获取点进行3阶多项式拟合(或其他数学表达形式)。共包含2个部分，第1部分，对采样点进行顺序排列。第2部分，采用最小二乘方法对数据进行拟合，计算拟合参数。

图5为校验确认示意图。均匀顺序选取10个角度值作为采样点，完成对采样点数据的统计分析。共包含2部分，第1部分，完成对采样数据的偏转和角度采集。第2部分，对采集数据进行统计分析，当均方误差小于一定阈值时，即通过验证。

实施例

1.舵面零位识别，包含三个阶段：首先舵面零位粗对准阶段将舵面自某一负的舵偏角度逐渐向正的方向以较大偏转角偏转，直到舵与零位基准偏差角小于1.5度；然后开始精对准，舵面继续向正的方向偏转微调直到与零位基准偏差小于0.2度，则认为识别到了舵面零位；最后记录舵面零位配平点的控制输出量，记为PWM₀。

2.在舵面正偏转区域均匀选取四组舵偏角δ_i，为避免舵面偏转误差，舵面先从负偏转区开始偏转，经过舵面零位，然后自小到大分别采集四组舵偏对应的控制输出量，记为PWM_i。

3.同理，在负偏转区域均匀选取四组舵偏角δ_i+4，舵面先从正偏转区开始偏转，经过舵面零位，自小到大分别采集四组舵偏对应的控制输出量，记为PWM_i+4；记录1～3步中舵偏角及对应的控制输出量采样值：[δ,PWM]。

4.根据舵偏角δ的大小将9组采样数据[δ_n,Δ_{PWM_n}](含基准点[0,0])按顺序排列，其中(n∈1,2,...,9)，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差。

5.采用最小二乘方法，利用三次多项式对采样数据进行拟合。

假设拟合公式为f(x)＝ax³+bx²+cx，其中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，x为指令舵偏角，则根据最小二乘方法：

求解使得Δ最小的拟合参数[a,b,c]。将上式分别对a、b、c进行求导并令其为0，解得参数解析式：

上式中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，δ_n为采样点舵偏角，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差。

6.对计算得到的拟合参数进行校验。均匀顺序选取10组舵偏角作为指令舵偏角δ_i代入到公式f(x)＝ax³+bx²+cx中，计算得到拟合的控制输出量PWM_ci＝PWM₀+f(δ_i)，采集PWM_ci对应的实际舵面偏转角δ_ci,统计分析指令舵偏角度δ_i与实际舵偏角度δ_ci的均方误差：

当均方误差MSE小于一定阈值(参考值取0.5°)时，验证通过。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种针对具有大死区特性的微小型无人机自适应舵面标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：舵面零位识别，寻找舵面配平零位基准点，即舵面动作基准点；

步骤2：第一舵面偏转角度获取，根据飞行控制需求和舵面偏转角度的机械限制，确定舵面偏转角度的范围，并选取相对舵面动作基准点的多组第一舵面偏转角度为采样点；

步骤3：自适应标定计算，根据采样点数据，采用最小二乘方法进行采样点数据拟合；

步骤4：校验确认，对第二舵面偏转角度进行实际偏转输出，并计算理论值与实测值的均方误差，若均方误差在给定阈值的范围内，则完成标定，否则，重新进行上述步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤11：舵面零位粗对准，通过偏转舵面，使其与零位基准点附近；

步骤12：舵面零位精对准，通过偏转舵面，使其处于零位基准点处；

步骤13：零位存储，记录当前零位基准点对应的控制输出量PWM₀。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤11中，偏差在1.5度范围内；所述步骤12中，偏差在0.2度范围内。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤13中，所述控制输出量为PWM值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤21：正偏转角度获取，在正偏转角度活动区域内，自小到大均匀选取4组舵面偏转角度δ_i进行采样，记录对应的控制输出量PWM_i，i∈(1,2,...,4)；

步骤22：负偏转角度获取，在负偏转角度活动区域内，自小到大均匀选取4组舵面偏转角度δ_i+4进行采样，记录对应的控制输出量PWM_i+4。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤31：根据舵面偏转角度大小对9个采样点进行顺序排列，所述采样点包含基准点[0,0]，并记录采样数据[δ_n,Δ_{PWM_n}]，其中n∈(1,2,...,9)，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差；

步骤32：采用最小二乘方法，对顺序排序后采样点数据进行拟合，计算拟合参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤32具体为：

假设拟合公式为f(x)＝ax³+bx²+cx，其中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，x为指令舵面偏转角度，则根据最小二乘方法：

求解使得Δ最小的拟合参数[a,b,c]，分别对a、b、c进行求导并令其为0，解得参数解析式：

上式中，a、b、c为三次多项式待拟合系数，δ_n为采样点舵面偏转角度，Δ_{PWM_n}为采样点控制输出量与基准点控制输出量的差。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤41：在舵面偏转范围内，均匀顺序选取10组第二舵面偏转角度，并根据拟合公式输出，作为指令舵面偏转角度δ_m，m∈(1,2,...,10)；

步骤42：采集所述10组第二舵面偏转角度的实际值，作为实际舵面偏转角度δ_cm；

步骤43：计算指令舵面偏转角度和实际舵面偏转角度的均方误差，若均方误差小于阈值时，通过验证；否则，返回步骤1。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤43具体包括：将指令舵面偏转角度δ_m代入到公式f(x)＝ax³+bx²+cx中，计算得到拟合的控制输出量PWM_cm＝PWM₀+f(δ_m)，采集PWM_cm对应的实际舵面偏转角度δ_cm,统计分析指令舵面偏转角度δ_m与实际舵面偏转角度δ_cm的均方误差：

当均方误差MSE小于阈值时，验证通过；否则，返回步骤1。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阈值为0.5°。

Images