CN111650966A - 一种旋翼无人机地面效应抑制方法 - Google Patents

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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

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Abstract

本发明公开了一种旋翼无人机地面效应抑制方法，以运动学和动力学理论为基础，在分析了旋翼无人机竖直方向上的控制律与飞行状态的实际与参考关系的情况下，设计了原创的控制律估算模型，以复频域为模型的计算视角，通过引入复数因子s而避免了软硬件载体上的导数的计算，节省了计算资源；且通过一阶低通滤波因子gf增强控制系统的稳定性和鲁棒性，实现旋翼无人机降落的无振荡控制；在本发明提供的控制律估算模型的指导下，依照本发明的方法步骤，可对抗地面效应，实现旋翼无人机的平稳着陆。

Description

一种旋翼无人机地面效应抑制方法
技术领域
本发明涉及无人机位姿控制领域，具体涉及一种旋翼无人机地面效应抑制方法。
背景技术
旋翼无人机的研究已有几十年的历史，大量的理论研究已经实际应用。其优点和实用价值已经充分发挥，而其气动效率低、续航不足等缺点目前都在可承受范围之内。
然而，旋翼无人机的降落控制依然是工程上的一个难点：由于地面效应的影响，当无人机飞行高度距离地面或者水面很近时，整个无人机升力面的上下压力差增大，升力会陡然增加，此时，由于旋翼无人机重量轻，且抗干扰能力差，因此极易失控。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种旋翼无人机地面效应抑制方法解决了地面效应对旋翼无人机降落控制造成的容易失控的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种旋翼无人机地面效应抑制方法，包括以下步骤：
S1、通过机载传感器获取旋翼无人机的飞行状态数据；
S2、根据飞行状态数据，判断旋翼无人机所处高度是否为0，若是，则结束抑制流程，若否，则跳转至步骤S3；
S3、根据飞行状态数据，通过控制律估算模型，得到控制律；
S4、通过控制律控制旋翼无人机的降落；
S5、通过机载传感器更新旋翼无人机的飞行状态数据，并跳转至步骤S2。
进一步地，所述飞行状态数据包括：旋翼无人机当前高度z、旋翼无人机当前竖直速度
Figure BDA0002551359520000021
和旋翼无人机当前竖直加速度
Figure BDA0002551359520000022
进一步地，所述控制律估算模型的计算表达式为：
u＝(E-B+Bgf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-gf)-sgfx] (1)
其中，u为控制律；E为二阶单位矩阵，即
Figure BDA0002551359520000023
A为状态矩阵；B为控制矩阵；Am为参考状态矩阵；Bm为参考控制矩阵；gf为一阶低通滤波因子，c为参考信号；s为复数因子；x为飞行状态数据向量，即
Figure BDA0002551359520000024
B+为B的广义逆矩阵，计算表达式为：
B+＝(BTB)-1BT (2)。
进一步地，所述状态矩阵A为
Figure BDA0002551359520000025
进一步地，所述控制矩阵B为
Figure BDA0002551359520000026
进一步地，所述参考状态矩阵Am为
Figure BDA0002551359520000027
其中ω为频率系数，ξ为实部系数。
进一步地，所述参考控制矩阵Bm为
Figure BDA0002551359520000028
进一步地，所述一阶低通滤波因子gf的计算表达式为：
Figure BDA0002551359520000029
其中，t为时间常数。
进一步地，所述频率系数ω为5，实部系数ξ为1，时间常数t为0.005。
本发明的有益效果为：以运动学和动力学理论为基础，在分析了旋翼无人机竖直方向上的控制律与飞行状态的实际与参考关系的情况下，设计了原创的控制律估算模型，以复频域为模型的计算视角，通过引入复数因子s而避免了软硬件载体上的导数的计算，节省了计算资源；且通过一阶低通滤波因子gf增强控制系统的稳定性和鲁棒性，实现旋翼无人机降落的无振荡控制；在本发明提供的控制律估算模型的指导下，依照本发明的方法步骤，可对抗地面效应，实现旋翼无人机的平稳着陆。
附图说明
图1为一种旋翼无人机地面效应抑制方法流程示意图；
图2为地面效应情况图；
图3为常规技术手段下旋翼无人机2m降落情景；
图4为本发明手段下旋翼无人机2m降落情景；
图5为常规技术手段下旋翼无人机10m降落情景；
图6为本发明手段下旋翼无人机10m降落情景。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种旋翼无人机地面效应抑制方法，包括以下步骤：
S1、通过机载传感器获取旋翼无人机的飞行状态数据，包括：旋翼无人机当前高度z、旋翼无人机当前竖直速度
Figure BDA0002551359520000031
和旋翼无人机当前竖直加速度
Figure BDA0002551359520000032
S2、根据飞行状态数据，判断旋翼无人机所处高度是否为0，若是，则结束抑制流程，若否，则跳转至步骤S3；
S3、根据飞行状态数据，通过控制律估算模型，得到控制律，其中，控制律估算模型的计算表达式为：
u＝(E-B+Bgf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-gf)-sgfx] (1)
其中，u为控制律；E为二阶单位矩阵，即
Figure BDA0002551359520000041
A为状态矩阵；B为控制矩阵；Am为参考状态矩阵；Bm为参考控制矩阵；gf为一阶低通滤波因子，c为参考信号；s为复数因子；x为飞行状态数据向量，即
Figure BDA0002551359520000042
B+为B的广义逆矩阵，计算表达式为：
B+＝(BTB)-1BT (2)。
状态矩阵A的优选值为
Figure BDA0002551359520000043
控制矩阵B的优选值为
Figure BDA0002551359520000044
参考状态矩阵Am优选值为
Figure BDA0002551359520000045
参考控制矩阵Bm的优选值为
Figure BDA0002551359520000046
其中ω为频率系数，具体为5，ξ为实部系数，具体为1；一阶低通滤波因子gf的计算表达式为：
Figure BDA0002551359520000047
其中，t为时间常数，优选值为0.005；
S4、通过控制律控制旋翼无人机的降落；
S5、通过机载传感器更新旋翼无人机的飞行状态数据，并跳转至步骤S2。
本发明以运动学和动力学理论为基础，在分析了旋翼无人机竖直方向上的控制律与飞行状态的实际与参考关系的情况下，设计了原创的控制律估算模型，以复频域为模型的计算视角，通过引入复数因子s而避免了软硬件载体上的导数的计算，节省了计算资源；且通过一阶低通滤波因子gf增强控制系统的稳定性和鲁棒性，实现旋翼无人机降落的无振荡控制；在本发明提供的控制律估算模型的指导下，依照本发明的方法步骤，可对抗地面效应，实现旋翼无人机的平稳着陆。
为了验证本发明的实际效果以及分析不使用本发明的情况下旋翼无人机的飞行状况，需对地面效应进行测量。经测量，地面效应主要影响旋翼无人机的升力，其影响情况如图2所示。若通过常规技术手段控制旋翼无人机降落，在2m高度和10m高度的情况下，通过动力学推导，即式(4)，则会出现图3及图5的状况，值得注意的是，现实中不存在负高度，因此，常规手段必然出现旋翼无人机与地面碰撞的情况，只是碰撞程度有所不同。
Figure BDA0002551359520000051
其中，Tz为存在地面效应情况下的升力，θ为旋翼无人机俯仰方向欧拉角，φ为旋翼无人机滚转方向欧拉角，m为旋翼无人机质量，g为重力加速度，d为环境噪声对旋翼无人机当前竖直加速度
Figure BDA0002551359520000052
的干扰值，在统计学上，为高斯白噪声(来源于微风的影响)与阶跃信号(来源于阵风的影响)的叠加。
若采用本发明控制旋翼无人机的降落，在2m高度和10m高度的情况下，则如图4及图6所示。可以有效证明，本发明对地面效应的抑制效果显著，旋翼无人机着陆平稳。

Claims (9)

1.一种旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过机载传感器获取旋翼无人机的飞行状态数据；
S2、根据飞行状态数据，判断旋翼无人机所处高度是否为0，若是，则结束抑制流程，若否，则跳转至步骤S3；
S3、根据飞行状态数据，通过控制律估算模型，得到控制律；
S4、通过控制律控制旋翼无人机的降落；
S5、通过机载传感器更新旋翼无人机的飞行状态数据，并跳转至步骤S2。
2.根据权利要求1所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述飞行状态数据包括：旋翼无人机当前高度z、旋翼无人机当前竖直速度
Figure FDA0002551359510000015
和旋翼无人机当前竖直加速度
Figure FDA0002551359510000016
3.根据权利要求2所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述控制律估算模型的计算表达式为：
u＝(E-B+Bgf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-gf)-sgfx] (1)
其中，u为控制律；E为二阶单位矩阵，即
Figure FDA0002551359510000011
A为状态矩阵；B为控制矩阵；Am为参考状态矩阵；Bm为参考控制矩阵；gf为一阶低通滤波因子，c为参考信号；s为复数因子；x为飞行状态数据向量，即
Figure FDA0002551359510000012
B+为B的广义逆矩阵，计算表达式为：
B+＝(BTB)-1BT (2)。
4.根据权利要求3所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述状态矩阵A为
Figure FDA0002551359510000013
5.根据权利要求3所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述控制矩阵B为
Figure FDA0002551359510000014
6.根据权利要求3所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述参考状态矩阵Am为
Figure FDA0002551359510000021
其中ω为频率系数，ξ为实部系数。
7.根据权利要求6所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述参考控制矩阵Bm为
Figure FDA0002551359510000022
8.根据权利要求7所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述一阶低通滤波因子gf的计算表达式为：
Figure FDA0002551359510000023
其中，t为时间常数。
9.根据权利要求8所述的旋翼无人机地面效应抑制方法，其特征在于，所述频率系数ω为5，实部系数ξ为1，时间常数t为0.005。
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