CN112082549B - 一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法。其通过ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计的安装测量飞行器的侧向加速度，然后积分分别得到侧向速度与位置信号，再与指令信号对比得到侧向位置误差信号，然后进行相应的非线性变换与非线性滤波，得到位置误差与速度的非线性信号与非线性滤波信号，然后叠加加速度非线性变换信号，形成阻尼信号增加系统稳定裕度，最后形成偏航通道的控制信号，实现侧向质心控制。其优点在于仅需要安装加速度计而无需安装陀螺仪测量飞行器的姿态与姿态角速率，使得整个方案的控制成本经济节省，也特别适合空间有限的微型飞行器。

Description

一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器稳定与转弯控制领域，具体而言，涉及一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法。

背景技术

飞行器的稳定与质心控制已有上百年的研究历史，目前主流采用的是陀螺仪测量飞行器姿态进行姿态控制体系方法设计，或者采用加速度计测量过载进行过载控制体系方法设计。但无论姿态体系与过载体系，目前现有的方法，往往都需要测量姿态角速率或者角加速度，或者采用数字微分算法解算上述姿态角速率或者姿态角加速度，主要目的是为系统提供阻尼信号，使得飞行器稳定性得到保障。但针对某些特殊情况下的飞行器，如微型飞行器，由于空间原因，难以安装陀螺仪设备测量飞行器的姿态，或者由于经济成本的限制而无法采用陀螺仪。基于上述背景原因，本发明提供了一种仅测量飞行器的加速度，即可完成飞行器质心运动精确控制与稳定飞行器的方法，无疑具有很大的创新性，与工程应用价值。

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一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法，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无姿态测量与稳定情况下飞行器控制无法实施的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，在飞行器上安装ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计，测量飞行器的侧向加速度，并通过积分得到侧向速度，由侧向速度进行二次积分，得到侧向位置信号，并与指令信号进行对比，得到位置误差信号；

步骤S20，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号，分别进行非线性变换，得到侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号；

步骤S30，根据所述的侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号，设计非线性滤波校正器，得到侧向位置误差非线性滤波信号与侧向速度非线性滤波信号；

步骤S40，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号以及其非线性信号与非线性滤波信号进行线性组合，得到误差综合信号，并进行抗饱和变换，得到抗饱和综合信号；

步骤S50，根据所述的侧向加速度信号，进行非线性变换，得到侧向阻尼信号，然后与误差综合信号以及抗饱和综合信号进行叠加，得到偏航通道控制信号，输送给偏航舵系统，实现飞行器的侧向质心控制。

在本发明的一种示例实施例中，测量飞行器的侧向加速度，并通过积分得到侧向速度与侧向位置信号，并与指令信号进行对比，得到位置误差信号包括：

v_z＝∫a_zdt；

z＝∫v_zdt；

e_z＝z-z^d；

其中a_z为采用ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计测量飞行器的侧向加速度，v_z为侧向速度信号，dt表示对时间信号进行积分。z为侧向位置信号，z^d为根据飞行器的侧向任务设定侧向期望位置信号，e_z为侧向位置误差信号。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号，进行非线性变换，得到侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号包括：

其中e_z1为侧向位置误差非线性信号，v_z1为侧向速度非线性信号，ε_a与ε_b为常值参数，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，根据所述的侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号，设计非线性滤波校正器，得到侧向位置误差非线性滤波信号与侧向速度非线性滤波信号包括：

e_z2(n+1)＝e_z2(n)+k₄e_dz2；

v_z2(n+1)＝v_z2(n)+k₈v_dz2；

其中e_z2为侧向位置误差非线性滤波信号，v_z2为侧向速度非线性滤波信号，k₁、k₂、k₃、k₄、ε_c、k₅、k₆、k₇、k₈、ε_d为常值参数，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，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号以及其非线性信号与非线性滤波信号进行线性组合，得到误差综合信号，并进行抗饱和变换，得到抗饱和综合信号包括：

u₁＝d₁e_z+d₂e_z1+d₃e_z2+d₄v_z+d₅v_z1+d₆v_z2；

其中e_z为侧向位置误差信号、e_z1为侧向位置误差非线性信号、e_z2为侧向位置误差非线性滤波信号、v_z为侧向速度信号、v_z1为侧向速度非线性信号、v_z2为侧向速度非线性滤波信号，u₁为误差综合信号，u₂为抗饱和综合信号，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆、l₁、l₂、l₃为常值参数，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，根据所述的侧向加速度信号，进行非线性变换，得到侧向阻尼信号，然后与误差综合信号以及抗饱和综合信号进行叠加，得到偏航通道控制信号包括：

u_p＝c₁u₁+(1-c₁)u₂+c₂u₃；

其中a_z为侧向加速度测量信号，u₃为侧向阻尼信号，p₁、p₂、ε_p、c₁、c₂为常值参数，其详细设计见后文案例实施。u₃为侧向阻尼信号，u₁为误差综合信号，u₂为抗饱和综合信号，u_p为偏航通道控制信号。

最终在偏航通道控制信号的作用下，输送给飞行器偏航舵，再控制飞行器的侧向运动，即可实现飞行器侧滑滚转协调转弯。

有益效果

本发明提供的一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法，其优点在于仅需要测量飞行器的线加速度，从而仅需要安装线加速度计，即可完成飞行器的稳定与质心控制，其控制方法简单，可以省去传统姿态控制或者过载控制对陀螺仪的安装使用，经济节省。尤其适合应用于一类空间有限的小微型飞行器进行简单的质心控制，因此其具有很高的工程应用价值。

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是本发明提供的一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法的流程图；

图2是本发明实施例所提供方法的ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计实物图；

图3是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向加速度曲线(单位：米每秒方)；

图4是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向速度曲线(单位：米每秒)；

图5是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向位置曲线(单位：米)；

图6是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向位置误差曲线(单位：米)；

图7是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向位置误差非线性曲线(无单位)；

图8是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向速度非线性信号曲线(无单位)；

图9是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向位置误差非线性滤波信号(无单位)；

图10是本发明实施例所提供方法的飞行器侧向速度非线性滤波信号(无单位)；

图11是本发明实施例所提供方法的误差综合信号曲线(单位：度)；

图12是本发明实施例所提供方法的抗饱和综合信号曲线(单位：度)；

图13是本发明实施例所提供方法的偏航通道控制信号曲线(无单位)；

图14是本发明实施例所提供方法的偏航舵偏角曲线(单位：度)。

图15是本发明实施例所提供方法的侧滑角信号曲线(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。

本发明提供了一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法，其仅仅需要测量飞行器的侧向加速，通过积分得到飞行器的速度与位置信号，然后与指令信号对比得到位置误差信号，再对误差信号与速度信号进行非线性变换，以及非线性滤波，得到相应的非线性信号与非线性滤波信号。然后进行组合与非线性变换，并叠加加速度非线性变换后形成的阻尼信号，形成最终的偏航通道控制信号，输送给飞行器偏航舵，从而实现侧向的质心控制。

下面，将结合附图对本发明的一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法进行进一步的解释以及说明。参考图1所示，该一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法包括以下步骤：

步骤S10，在飞行器上安装ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计，测量飞行器的侧向加速度，并通过积分得到侧向速度，由侧向速度进行二次积分，得到侧向位置信号，并与指令信号进行对比，得到位置误差信号。

具体的，首先在飞行器上安装ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计，其实物图片如图2所示，其性能指标如下：重量20g，尺寸3*10*10mm，加速度测量范围-12g至12g，姿态精度0.1度，可调带宽3-1600Hz。输出方式是SPI电平接口，电源电压2v-3.6v，工作温度-40～+105℃。

其次，通过安装的ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计测量飞行器的侧向加速度并存储数据，记作a_z。

然后，根据所述的侧向加速度测量信号a_z，进行积分，得到侧向速度信号，计作v_z，其积分方式如下：

v_z＝∫a_zdt；

其中dt表示对时间信号进行积分。

再次，对侧向速度信号v_z进行线性积分，得到侧向位置信号，计作z，其积分方式如下：

z＝∫v_zdt；

其中dt表示对时间信号进行积分。

最后，根据飞行器的侧向任务设定侧向期望位置信号，记作z^d。然后与所述的侧向位置信号进行对比，得到侧向位置误差信号，记作e_z，其比较方式如下：

e_z＝z-z^d；

步骤S20，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号，分别进行非线性变换，得到侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号；

具体的，首先针对侧向位置误差信号，进行如下的非线性变换，得到侧向位置误差非线性信号，记作e_z1，其计算方式为：

其中ε_a为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

其次，针对侧向速度信号，进行如下的非线性变换，得到侧向速度非线性信号，记作v_z1，其计算方式为：

其中ε_b为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

步骤S30，根据所述的侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号，设计非线性滤波校正器，得到侧向位置误差非线性滤波信号与侧向速度非线性滤波信号；

具体的，首先针对所述的侧向位置误差非线性信号，设计如下的非线性滤波器，得到侧向位置误差非线性滤波信号，记作e_z2，其计算方式如下：

e_z2(n+1)＝e_z2(n)+k₄e_dz2；

其中k₁、k₂、k₃、k₄、ε_c为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

其次，针对所述的侧向速度非线性信号，设计如下的非线性滤波器，得到侧向速度非线性滤波信号，记作v_z2，其计算方式如下：

v_z2(n+1)＝v_z2(n)+k₈v_dz2；

其中k₅、k₆、k₇、k₈、ε_d为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

步骤S40，根据所述的侧向位置误差信号与侧向速度信号以及其非线性信号与非线性滤波信号进行线性组合，得到误差综合信号，并进行抗饱和变换，得到抗饱和综合信号；

具体的，首先针对所述的侧向位置误差信号e_z、侧向位置误差非线性信号e_z1、侧向位置误差非线性滤波信号e_z2、侧向速度信号v_z、侧向速度非线性信号v_z1、侧向速度非线性滤波信号v_z2分别进行线性组合，得到误差综合信号，记作u₁，其计算方式如下：

u₁＝d₁e_z+d₂e_z1+d₃e_z2+d₄v_z+d₅v_z1+d₆v_z2；

其中d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

其次，针对所述的误差综合信号，进行如下的抗饱和非线性变换得到抗饱和综合信号，记作u₂，其计算方式如下：

其中l₁、l₂、l₃为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

步骤S50，根据所述的侧向加速度信号，进行非线性变换，得到侧向阻尼信号，然后与误差综合信号以及抗饱和综合信号进行叠加，得到偏航通道控制信号，输送给偏航舵系统，实现飞行器的侧向质心控制。

具体的，首先根据所述的侧向加速度测量信号a_z，进行如下的非线性变换，得到侧向阻尼信号，记作u₃，其计算方式如下：

其中p₁、p₂、ε_p为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

其次，针对所述的侧向阻尼信号u₃、误差综合信号u₁以及抗饱和综合信号u₂进行叠加，得到最终的偏航通道控制信号，记作u_p，其计算方式如下：

u_p＝c₁u₁+(1-c₁)u₂+c₂u₃；

其中c₁、c₂为常值参数，其详细设计见后文案例实施。

最终在偏航通道控制信号的作用下，输送给飞行器偏航舵，再控制飞行器的侧向运动，即可实现飞行器侧滑滚转协调转弯。

案例实施与模拟实验结果分析

在步骤S10中，通过安装ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计测量飞行器的侧向加速度如图3所示，并通过积分得到侧向速度与侧向位置信号如图4与图5所示，并与指令信号进行对比，得到位置误差信号如图6所示。

在步骤S20中，设置ε_a＝15、ε_b＝5，得到侧向位置误差非线性信号如图7所示，得到侧向速度非线性信号如图8所示。

在步骤S30中，设置k₁＝30、k₂＝20、k₃＝10、k₄＝0.002、ε_c＝8、k₁＝30、k₂＝20、k₃＝10、k₄＝0.002、ε_d＝4，设计非线性滤波校正器，得到侧向位置误差非线性滤波信号如图9所示，得到侧向速度非线性滤波信号如图10所示。

在步骤S40中，设置d₁＝0.1、d₂＝0.2、d₃＝2.5、d₄＝0.5、d₅＝0.5、d₆＝0.5、l₁＝3、l₂＝2.5、l₃＝1.5；得到误差综合信号如图11所示，得到抗饱和综合信号如图12所示。

在步骤S50中，设置p₁＝3、p₂＝3、ε_p＝0.5、c₁＝0.3，c₂＝0.7，得到偏航通道控制信号如图13所示，最终偏航舵曲线如图14所示，飞行器侧滑角如图15所示。

由图5与图6可以看出，飞行器侧向位置能够在5秒内快速趋向期望值30米，而且位置误差信号能够平滑地收敛到0。由图14可以看出，舵偏角不超过4度，而由图15可以看出，侧滑角不超过5度，但最大达到了4度。侧滑角比较大，说明飞行器的转弯效率比较高，转弯快速性比较好，对侧滑角得到了充分利用。由以上案例表明，通过信号的合理组合与搭配以及阻尼信号的选取，本发明所提出的仅测量飞行器的线加速度对飞行器进行稳定与质心控制是完全可行的。从而使得本发明具有很高的工程应用价值与创新性。

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。

Claims (1)

1.一种仅测量加速度的飞行器简单质心控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，在飞行器上安装ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计，测量飞行器的侧向加速度，并通过积分得到侧向速度，由侧向速度进行二次积分，得到侧向位置信号，并与指令信号进行对比，得到位置误差信号如下：

v_z＝∫a_zdt；

z＝∫v_zdt；

e_z＝z-z^d；

其中a_z为采用ADXL312ACPZ数字式MEMS加速度计测量飞行器的侧向加速度，v_z为侧向速度信号，dt表示对时间信号进行积分；z为侧向位置信号，z^d为根据飞行器的侧向任务设定侧向期望位置信号，e_z为位置误差信号；

步骤S20，根据所述的位置误差信号与侧向速度信号，分别进行非线性变换，得到侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号如下：

其中e_z1为侧向位置误差非线性信号，v_z1为侧向速度非线性信号，ε_a与ε_b为常值参数；

步骤S30，根据所述的侧向位置误差非线性信号与侧向速度非线性信号，设计非线性滤波校正器，得到侧向位置误差非线性滤波信号与侧向速度非线性滤波信号如下：

e_z2(n+1)＝e_z2(n)+k₄e_dz2；

v_z2(n+1)＝v_z2(n)+k₈v_dz2；

其中e_z2为侧向位置误差非线性滤波信号，v_z2为侧向速度非线性滤波信号，k₁、k₂、k₃、k₄、ε_c、k₅、k₆、k₇、k₈、ε_d为常值参数；

步骤S40，根据所述的位置误差信号与侧向速度信号以及其非线性信号与非线性滤波信号进行线性组合，得到误差综合信号，并进行抗饱和变换，得到抗饱和综合信号如下：

u₁＝d₁e_z+d₂e_z1+d₃e_z2+d₄v_z+d₅v_z1+d₆v_z2；

其中u₁为误差综合信号，u₂为抗饱和综合信号，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆、l₁、l₂、l₃为常值参数；

步骤S50，根据所述的侧向加速度信号，进行非线性变换，得到侧向阻尼信号，然后与误差综合信号以及抗饱和综合信号进行叠加，得到偏航通道控制信号，输送给偏航舵系统，实现飞行器的侧向质心控制如下：

u_p＝c₁u₁+(1-c₁)u₂+c₂u₃；

其中u₃为侧向阻尼信号，p₁、p₂、ε_p、c₁、c₂为常值参数；u₃为侧向阻尼信号，u_p为偏航通道控制信号；最终在偏航通道控制信号的作用下，输送给飞行器偏航舵，再控制飞行器的侧向运动，即可实现飞行器侧滑滚转协调转弯。

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