CN111381598A

CN111381598A - 采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法

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Publication number: CN111381598A
Application number: CN202010202211.9A
Authority: CN
Inventors: 刘子琛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明是关于采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，属于无人机高度控制技术领域。首先根据无人机的高度指令信号通过惯性滤波器分别得到无人机的垂直速度与垂直加速度的指令信号。再通过垂直速度指令信号与无人机水平速度估计值得到无人机俯仰角速度指令信号；通过高度信号与高度指令信号形成的误差信号非线性变换后得到俯仰角位置指令信号；通过垂直加速度指令信号与实际垂直加速度信号得到的加速度误差信号进行非线性变换得到俯仰角加速度指令信号。最后通过三类指令信号得到最终的俯仰角指令信号并进行饱和预警保护设计，通过姿态控制系统跟踪实现给定高度指令的跟踪。本发明具有高度控制指令平稳与动态响应效果好的优点。

Description

采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体而言，涉及一种采用高度与加速度进行误差反馈控制无人机高度的方法。

背景技术

无人飞行器的高度控制目前大部分采用的是高度误差的PID控制，当飞行高度大幅度变化是，采用一套参数往往难以适应无人机对大指令与小指令的兼容。比如进行小指令高度爬升与大指令高度爬升时，采用一套参数，往往会使得其中某套参数对大指令爬升速度过慢而又对小指令爬升速度过快的问题，该问题的根源时在于误差的大范围变化而导致的。同时，其高度控制往往需要测量高度的微分信号，目前高度微分的准确测量并不容易，而采用惯性导航设计对加速度积分得到的高度微分，也就是垂直速度的方法具有随着时间积累而发散的缺点。

针对以上背景技术，本发明提出了一种三类俯仰角指令信号综合叠加的方法，采用非线性变化实现对大小误差的兼容，同时采用加速度计形成反馈而避免了对速度的测量，最后从位置、速度、加速度三个环节形成了误差反馈，实现了高度的平稳精准控制。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的高度控制动态性能不佳的问题。

根据本发明的一个方面，提供采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，在无人机上安装惯性导航设备，分别测量无人机的高度、垂直加速度与俯仰角；

步骤S20，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号；

步骤S30，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号；并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号；

步骤S40，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号；

步骤S50，根据所述的滤波器位置输出信号，与无人机的高度信号进行比较，得到高度误差信号，再进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值；

步骤S60，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号；

步骤S70，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到最终的俯仰角指令信号；根据所述的加速度信号，进行饱和预警保护设置；

步骤S80，根据俯仰角指令信号与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号，输送给俯仰舵系统，控制无人机，实现高度控制。

在本发明的一种示例实施例中，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号；然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号与滤波器位置输出信号包括：

其中h^*为根据飞行任务设置的期望高度指令信号。h^*为惯性滤波器的时间常数，

为期望的垂直速度信号。y₁(1)为惯性滤波器的输出y₁的第n个信号，其初始值设置为0，即y₁(1)＝0。

为期望的垂直速度信号

的第n个信号。h^*(n)为期望的高度指令信号h^*的第n个信号。T为上述数据间的时间间隔，详见后文案例实施。

T₁为滤波器的时间常数，其选取按照如下原则：当

时，增大T₁为原来的a₁倍，a₁＞1，直至

其中V_max根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升的最大能力，即垂直爬升所允许的最大速度。

最终y₁为所求的滤波器位置输出信号，

即为期望的垂直速度信号。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号，并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号包括：

其中

为期望的垂直速度信号，

为期望的垂直加速度信号，y₂(1)为惯性滤波器的输出y₂的第n个信号，其初始值设置为0，即y₂(1)＝0。

为期望的垂直加速度信号

的第n个信号。

为期望的垂直速度指令信号

的第n个信号。

T₂为惯性滤波器的时间常数，其选取遵循如下原则：当

时，增大T₂为原来的a₂倍，a₂＞1，直至

其中a_max根据无人机的实际情况设置，其代表垂直爬升所允许的最大加速度。

a_y为无人机实际测量得到垂直加速度信号，e_a为加速度误差信号。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的期望的垂直速度信号、无人机的前向速度估计信号，以及无人机的俯仰角信号，进行近似转换，得到俯仰角速度指令信号包括：

θ_v＝tan^-1q；

其中V_ax为无人机向前的飞行速度估计值，

为期望的垂直速度信号，q为速度比，θ_v即为所求的俯仰角速度指令期望值。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的滤波器位置输出信号与高度误差信号进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值包括：

e_h＝y₁-h；

其中y₁为滤波器的位置输出信号，h为无人机的高度信号，e_h为高度误差信号，θ_s即为所求的最终的俯仰角位置指令信号期望值，k₁、k₂、ε、ε₁为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号包括；

其中e_a为所述的加速度误差信号，θ_a即为最终所求的俯仰角加速度指令信号期望值，k₃、k₄、ε₂为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的三类俯仰角指令信号，进行叠得到俯仰角指令预先信号，再进行饱和预警保护设置，得到最终的俯仰角指令信号包括：

θ₀＝θ_s+θ_a+θ_v；

其中θ₀为俯仰角指令预先信号，θ_s为俯仰角位置指令信号，θ_a为俯仰角加速度指令信号，θ_v为俯仰角速度指令信号。a_y为无人机的垂直加速度信号，θ^d为最终的俯仰角指令信号，a_max根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升所允许的最大加速度。

在本发明的一种示例实施例中，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号包括：

e＝θ^d-θ；

其中θ^d为无人机俯仰角指令信号，θ为无人机的俯仰角信号，e为俯仰角误差信号，dt表示对时间信号积分，

表示误差信号的微分，k_a1、k_a2、k_a3表示PID控制器中比例、积分、微分系数。δ为俯仰综合信号。

最终，将所述的俯仰综合信号δ，输送给无人机俯仰通道舵系统，即可实现低速无人机对给定高度指令的跟踪。

本发明提供的一种采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其优点有四。其一在于采用加速度测量与反馈形成了加速度误差，对高度精准控制提供了有力的支撑；其二在于采用高度指令信号的微分代替速度测量，同时通过转换得到俯仰角期望信号的方法，得到了一种新型不需要测量速度的速度反馈方法(其实是利用了姿态测量实现速度测量)；其三在于采用了灵活的非线性方法与饱和预警保护机制，使得整个设计对大小误差信号都具有很好的兼容特性。其四是位置、速度、加速度三位一体的反馈机制，为高度控制的高动态性能提供了强有力的技术支撑。因此，本发明具有很好的理论创新性与工程应用价值。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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获得其他的附图。

图1是本发明提供的采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法的流程图；

图2是本发明实施例所提供方法的无人机高度曲线；(单位：米)；

图3是本发明实施例所提供方法的无人机垂直速度曲线；(单位：米每秒)

图4是本发明实施例所提供方法的无人机俯仰角曲线(单位：度)；

图5是本发明实施例所提供方法的期望垂直速度曲线(单位：米每秒)；

图6是本发明实施例所提供方法的滤波器位置输出曲线(无单位)；

图7是本发明实施例所提供方法的俯仰角指令曲线(无单位)；

图8是本发明实施例所提供方法的俯仰舵偏角曲线(单位：度)。

具体实施方式

现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本发明提供了采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法，其通过位置、速度、加速度三位一体的反馈机制实现高度控制的良好动态性能。其首先通过设置惯性滤波器得到高度指令信号的位置、速度、加速度三类期望指令信号，分别与飞行器高度、加速度比较得到两类误差信号，进行非线性变换得到位置、加速度两类俯仰角指令信号。而其中的高度的指令微分信号通过转换得到俯仰角速度指令信号。从而得到三类俯仰角指令信号进行叠加实现最终的俯仰角指令信号，再由姿态角稳定信号对俯仰角进行跟踪，即可实现最终的高度控制。该三位一体的反馈控制方法使得高度控制具有良好的动态性能。

下面，将结合附图对本发明的采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法进行进一步的解释以及说明。参考图1所示，该采用高度与加速度双误差的慢速无人机的高度控制方法包括以下步骤：

具体的，首先采用惯性导航设备，测量无人机的高度信号，记作h。其次，安装线加速度计，测量无人机的垂直加速度a_y。

最后，采用惯性导航设备，测量无人机的俯仰角，记作θ。

具体的，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号为h^*。在简单测试信号中，可以选取高度指令为常值。再实际设计中，高度指令信号可以设置为复杂的时变信号。

其次，设置惯性滤波器的时间常数为T₁，构建如下的惯性滤波器，得到期望的垂直速度信号，记作

其解算如下：

其中y₁(1)为惯性滤波器的输出y₁的第n个信号，其初始值设置为0，即y₁(1)＝0。

为期望的垂直速度信号

的第n个信号。h^*(n)为期望的高度指令信号h^*的第n个信号。T为上述数据间的时间间隔，详见后文案例实施。同时后续的惯性滤波器的输出y₁按照如下迭代方式求解：

最后，进行速度饱和预警限制。即如果期望的垂直速度信号过大，则增大T₁，重新解算，以减少

即当

时，增大T₁为原来的a₁倍，a₁＞1，直至

最终y₁为所求的滤波器位置输出信号，

即为期望的垂直速度信号。

具体的，首先，根据所述的期望的垂直速度信号

设置惯性滤波器的时间常数为T₂，构建如下的惯性滤波器，得到期望的垂直加速度信号，记作

其解算如下：

其中y₂(1)为惯性滤波器的输出y₂的第n个信号，其初始值设置为0，即y₂(1)＝0。

为期望的垂直加速度信号

的第n个信号。

为期望的垂直速度指令信号

的第n个信号。T为上述数据间的时间间隔，详见后文案例实施。同时后续的惯性滤波器的输出y₂按照如下迭代方式求解：

其次，进行加速度饱和预警限制。即如果期望的垂直加速度信号过大，则增大T₂，重新解算，以减少

即当

时，增大T₂为原来的a₂倍，a₂＞1，直至

最后，根据实际测量得到垂直加速度信号a_y，与所得的期望的垂直加速度信号

进行比较，得到加速度误差信号，记作e_a，其计算方式如下：

具体的，首先对小型无人机向前的飞行速度进行估计，记作V_ax，该估计值无需特别精确，选取为常值即可。

其次，根据所述的期望的垂直速度信号

与前向速度信号，求解速度比，记作q，其计算方式如下：

最后，根据上述速度比进行反正切变换，得到俯仰角速度指令期望值，记作θ_v，其解算如下：

θ_v＝tan^-1q。

具体的，首先根据滤波器位置输出信号y₁，与无人机的高度信号h进行比较，得到高度误差信号，记作e_h，其计算方式如下：

e_h＝y₁-h；

其次，进行如下的非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令信号期望值，记作θ_s，其计算方式如下：

其中k₁、k₂、ε、ε₁为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。

具体的，根据所述的加速度误差信号e_a，进行如下的非线性变换，得到最终的俯仰角加速度指令信号期望值，记作θ_a，其计算如下：

其中k₃、k₄、ε₂为常值参数信号，其详细设计见后文案例实施。

步骤S70，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到俯仰角指令预先信号；根据所述的加速度信号，进行饱和预警保护设置；

具体的，首先根据所述的三类俯仰角指令信号进行叠加，得到俯仰角指令预先信号，记作θ₀，其计算方式如下：

θ₀＝θ_s+θ_a+θ_v；

其中θ_s为俯仰角位置指令信号，θ_a为俯仰角加速度指令信号，θ_v为俯仰角速度指令信号。

其次，根据无人机的垂直加速度信号a_y，进行如下的饱和预警保护设置，得到最终的俯仰角指令信号，记作θ^d，其计算如下：

其中a_max根据无人机的实际情况设置，其代表无人机垂直爬升所允许的最大加速度。

步骤S80，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号，输送给俯仰舵系统，控制无人机，实现高度控制。

具体的，首先，根据无人机俯仰角指令信号θ^d，与无人机的俯仰角信号θ进行比较，得到俯仰角误差信号，记作e＝θ^d-θ。

其次，根据所得的俯仰角误差信号，设置如下的PID控制信号，记作δ，其计算方法如下：

其中dt表示对时间信号积分，

表示误差信号的微分，k_a1、k_a2、k_a3表示比例、积分、微分系数。其中有关PID控制的详细设计，非本发明的保护内容，而且有关无人机俯仰角控制消除俯仰角误差的方法，也有很多，在此本，为保证发明的完整性，本发明仅以PID为例演示上述高度控制方法是可行的，因此有关PID控制与

的解算，在此不再详细累述。在实际实现过程中，不限于PID控制方法，还可以采用其它姿态控制方法实现本步骤中的姿态指令跟踪任务。

最终，根据上述姿态控制方法，将上述PID控制信号，作为舵偏角指令信号δ，输送给无人机俯仰通道舵系统，控制无人机的俯仰通道控制，即可控制低速无人机对给定高度指令的跟踪。

案例实施与计算机仿真模拟结果分析

为验证本发明所提供方法的正确性与有效性，特提供如下案例仿真进行模拟。

在步骤S10中，在无人机上安装惯性导航设备，测量无人机的高度如图2所示，测量垂直加速度如图3所示，测量俯仰角如图4所示。

在步骤S20中，根据飞行任务，设置期望的高度指令信号h^*＝6050,t＞20；h^*＝10,t＜20，设置T＝0.005，T₁＝50；a₁＝1.2，V_max＝20，然后根据期望的高度指令，建立惯性滤波器，求解其期望的垂直速度信号如图5与滤波器位置输出信号如图6所示；

在步骤S30中，设置T₂＝10，a₂＝1.2，a_max＝5，根据所述的期望的垂直速度信号，建立惯性滤波器，求取期望的垂直加速度信号；并与垂直加速度测量值进行比较，得到加速度误差信号；

在步骤S40中，V_ax＝30，在步骤S50中，选取k₁＝1、k₂＝1、ε＝100、ε₁＝1.1，根据所述的滤波器位置输出信号，与无人机的高度信号进行比较，得到高度误差信号，再进行非线性变换，得到最终的俯仰角位置指令期望值；在步骤S60中，选取k₃＝1、k₄＝1，ε₂＝3，为根据所述的加速度误差信号，进行非线性转换，得到俯仰角加速度指令信号；在步骤S70中，根据所述的俯仰角位置指令信号、俯仰角速度指令信号与俯仰角加速度指令信号，进行复合叠加，得到最终的俯仰角指令信号如图7所示。

在步骤S80，选取k_a1＝2、k_a2＝0.5、k_a3＝0.2，根据俯仰角指令信号，与俯仰角的实际测量信号进行比较，得到俯仰角误差信号，并组成PID控制器，得到最终的俯仰综合信号如图所示，最终俯仰舵偏角如图8所示。

本案例中采用了一类低速高负载无人机，其速度较低但体型较大而且载重量较大，同时加速过程较慢。由图2可以看出，在前20秒，对小指令10米高度，20秒后对大指令6050米，本高度控制器均具有非常平稳的响应，完全实现了一套参数对大小高度指令与大小误差信号的自调节控制。由图3可以看出，飞行器的垂直速度最大值为18米每秒，没有超过最大速度30米每秒的限制，因此在大指令情况下，仍然是安全的。由图4可以看出，无人机的俯仰角最大值为30度，整个变化过程非常平稳。由图8可以看出，无人机的最大舵偏角指令为15度，也没有超过工程实际应用限制。从而由上述案例可以看出，本发明所设计的高度控制方法具有大小信号普遍适应的特点，从而整体具有适应性与鲁棒性均比较好的优点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这类的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未指明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。