CN112180952B - 一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，将飞行阶段分为地面与起降阶段、除地面与起降阶段外的航行阶段两个部分；并通过各信号源的通讯状态、工作模式以及数据有效性进行传感器余度选择，选择各个飞行阶段最优的高度信息提供到高度控制回路，对不满足的信号源进行隔离，并保证人工选择高度源的最高权限；所述高度信息包括VMC内部传感器信息、航姿信息、大气压力传感器信息、无线电高度表信息。本发明通过上述操作，实现余度信息工作状态检测、故障隔离，对检测出的故障信息进行故障综合，并完成故障申报，从而解决多余度通道的有效协同工作。本发明提供的高度余度管理方法，基本适应大多数小型无人机飞行器管理系统功能需求。
Description
技术领域
本发明属于航空飞行器高度余度管理技术领域，具体地说，涉及一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法。
背景技术
目前小型无人机高度定位方法包括大气压力传感器测高、无线电高度表测高、航姿测高、VMC测高。
大气压力传感器根据大气压力(常静压)随高度升高而减小的规律测量高度。静压式高度表通过测量飞行中的静压，输出与静压对应的电压信号。静压高度表安装在密封的仪表壳内，由真空膜盒、传动放大结构、补偿装置及信号转换器构成。当作用在膜盒上的大气压力逐渐减小时，膜盒逐渐膨胀，膜盒中心点的位移与作用在膜盒上的大气压力之间呈现非线性关系，近似指数下降。低空改变单位气压，膜盒位移的变化量较小，高空改变单位气压，膜盒位移的变化量较大。膜盒位移量对应于各高度上的单位气压高度差，通过传动机构，可以获得电刷转角与高度间的线性关系。在无线电高度表的基础上通过调零机构使传感器在某一基准气压面的高度为零时输出也为零，选择相应的基准气压面，传感器便可以输出相应于相对高度、标准气压高的或者绝对信号的电信号。
无线电高度表为无人机起降或航行飞行阶段管理与高度控制提供相对高度信息与垂直相对速度信息，是无人机飞行安全的重要传感器余度。无线电高度表利用电磁波的反射测量高度，电磁波在空中以光速c＝3×108m/s传播且碰到地面能够反射。因此，装在飞机上的无线电发射机将电磁波发射到地面后，机上接收机的天线经Δt时间收到反射波，根据Δt可测出飞机的真实飞行高度
航姿采用GPS高度，VMC采用差分GPS高度，差分GPS可以消除大部分的常值静差，定位精度较高。GPS定位对于时间得到精度要求极高，极小的时间偏差都会引起位置截然不同，一般GPS卫星上用铯原子钟计时。电波以光速传播时，光速会受到空中电离层的影响，会出现误差，GPS卫星广播也可能存在误差，一系列误差都会影响数据的精确度，因此，单纯GPS不能准确提供飞机高度的数据，定位精度较低。
一般情况，气压高度比GPS高度准确以及灵敏，但是需要经常标定，飞机在进近前根据机场气象信息中的气压数字输入高度计，这时飞机与跑道之间的相对高度完全可以精确到米级。无线电高度表在高空测量高度时，由于飞机离开地面的距离不同，会出现高度上下波动的不稳定状态，对飞行安全带来隐患，因此无线电高度表通常适用于进近段。
在多余度通道的情况下，有效的协同和最佳的选取是当前的一个难点。
发明内容
本发明针对现有技术的上述问题，提出了一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，通过分飞行阶段进行对应性处理，实现余度信息工作状态检测、故障隔离，对检测出的故障信息进行故障综合，并完成故障申报，从而解决多余度通道的有效协同工作。本发明提供的高度余度管理方法，基本适应大多数小型无人机飞行器管理系统功能需求。
本发明的具体实现内容如下：
一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，将飞行阶段分为地面与起降阶段、除地面与起降阶段外的航行阶段两个部分；并通过各信号源的通讯状态、工作模式以及数据有效性进行传感器余度选择，选择各个飞行阶段最优的高度信息提供到高度控制回路，对不满足的信号源进行隔离，并保证人工选择高度源的最高权限；所述高度信息包括VMC内部传感器信息、航姿信息、大气压力传感器信息、无线电高度表信息。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述地面与起降阶段包括以下阶段：地检、地面等待、起飞滑跑含滑行、起飞拉起、起飞爬升、进场、着陆第四边、着陆第五边、下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑、复飞、中止起飞、滑出、迫降、自毁；在所述进场阶段，飞控相对高度＜着陆航线第一点高度+1000m。
为了更好地实现本发明，进一步地，在所述地面与起降阶段的下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段时，首先优先选择VMC内部传感器信息，若不满足VMC内部传感器处于INS/DGPS或DGPS模式且不满足未降级为无线电高度表，则判断是否满足使用无线电高度表信息，若满足则使用无线电高度表进行处理，反之，则进一步选用航姿信息进行处理。
为了更好地实现本发明，进一步地，在地面与起降阶段中除下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段外的阶段时，优先第一次选择VMC内部传感器信息进行，若VNC内部传感器不处于INS/DGPS模式或者DGPS模式，则进一步第一次选择航姿信息进行处理；
若在第一次选择航姿信息不满足导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式，则进一步第二次选择VMC内部传感器信息进行处理；
若在第二次选择VMC内部传感器信息时，VMC内部传感器不处于INS/GNSS或GNSS模式时，则进行第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/大气模式，若不是，则进一步地选择大气压力传感器信息进行处理；
若在选择大气压力传感器信息进行处理时不满足使用大气压力传感器信息的条件，则进一步地第三次选择航姿信息进行处理；
在第三次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式；若不是，则进一步第四次选择航姿信息进行处理；所述第一次选择姿态信息直至第四次选择姿态信息中，依次选择稳定性更高的航姿高度作为飞机的高度信息。
为了更好地实现本发明，进一步地，在除地面与起降阶段外的航行阶段中，优先选择大气压力传感器信息进行处理，若不满足使用大气压力传感器信息进行处理的条件，则进一步地第一次选择航姿信息进行处理；
在第一次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/DGPS模式或者INS/GNSS模式，若不满足条件，这进一步地选择VMC内部传感器信息进行处理；
在选择VMC内部传感器信息进行处理时，需要判断是否满足VMC内部传感器是否处于INS/DGPS模式、DGPS模式、INS/GNSS模式或者GNSS模式，则进一步地第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式，若不满足，则进一步地，第三次选择航姿信息进行处理；
所述第一次选择航姿信息到第三次选择航姿信息依次选择更高稳定性的航姿高度作为无人机高度信号。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述航姿信息的使用条件为：
a)航姿通讯正常；
b)IMU状态正常；
c)高度数据有效性为有效；
d)导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式或INS/大气模式。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述大气压力传感器信息的使用条件为：
a)大气压力传感器通讯正常；
b)高度数据有效。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述无线电高度表信息的使用条件为：
a)处于下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段；
b)无线电高度表高度<30m；
c)无线电高度表通讯正常；
d)无线电高度表数据有效性为有效。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述VNC内部传感器信息的使用条件为：
a)VMC内部传感器IMU导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式、DGPS或GNSS模式。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
针对地面与起降阶段和航行阶段对高度的精度要求，本方法在高度传感器发生故障时，可以及时进行工作状态检测、故障隔离，对检测出的故障信息进行故障综合，完成故障申报，对不满足的信号源进行余度降级，使各余度通道的有效协同工作，使得无人机高度信号得到保障，确保无人机高度信号准确可靠同时为控制成本，对于资源受限的小型无人机，传感器自检能力有限，若传感器部分数据失效，通过与其他传感器数据进行融合最大程度提供有效数据。若传感器发生误报，通过信号强制选择功能实现传感器及时切换，高度信号源为强制选择的传感器。基本适应大多数小型无人机飞行器管理系统功能需求。
附图说明
图1为高度信息包括信息类型示意图；
图2为下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段高度余度管理流程示意图；
图3为地面与起降阶段除下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段外的阶段高度余度管理流程示意图；
图4为除地面与起降阶段外的航行阶段的高度余度管理流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，如图1所示，将飞行阶段分为地面与起降阶段、除地面与起降阶段外的航行阶段两个部分；并通过各信号源的通讯状态、工作模式以及数据有效性进行传感器余度选择，选择各个飞行阶段最优的高度信息提供到高度控制回路，对不满足的信号源进行隔离，并保证人工选择高度源的最高权限；所述高度信息包括VMC内部传感器信息、航姿信息、大气压力传感器信息、无线电高度表信息。
所述航姿信息的使用条件为：
a)航姿通讯正常；
b)IMU状态正常；
c)高度数据有效性为有效；
d)导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式或INS/大气模式。
所述大气压力传感器信息的使用条件为：
a)大气压力传感器通讯正常；
b)高度数据有效。
所述无线电高度表信息的使用条件为：
a)处于下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段；
b)无线电高度表高度<30m；
c)无线电高度表通讯正常；
d)无线电高度表数据有效性为有效。
所述VNC内部传感器信息的使用条件为：
a)VMC内部传感器IMU导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式、DGPS或GNSS模式。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图2、图3所示，为了更好地实现本发明，进一步地，所述地面与起降阶段包括以下阶段：地检、地面等待、起飞滑跑含滑行、起飞拉起、起飞爬升、进场、着陆第四边、着陆第五边、下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑、复飞、中止起飞、滑出、迫降、自毁；在所述进场阶段，飞控相对高度＜着陆航线第一点高度+1000m。
如图2所示，在所述地面与起降阶段的下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段时，首先优先选择VMC内部传感器信息，若不满足VMC内部传感器处于INS/DGPS或DGPS模式且不满足未降级为无线电高度表，则判断是否满足使用无线电高度表信息，若满足则使用无线电高度表进行处理，反之，则进一步选用航姿信息进行处理。
如图3所示，在地面与起降阶段中除下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段外的阶段时，优先第一次选择VMC内部传感器信息进行，若VNC内部传感器不处于INS/DGPS模式或者DGPS模式，则进一步第一次选择航姿信息进行处理；
若在第一次选择航姿信息不满足导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式，则进一步第二次选择VMC内部传感器信息进行处理；
若在第二次选择VMC内部传感器信息时，VMC内部传感器不处于INS/GNSS或GNSS模式时，则进行第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/大气模式，若不是，则进一步地选择大气压力传感器信息进行处理；
若在选择大气压力传感器信息进行处理时不满足使用大气压力传感器信息的条件，则进一步地第三次选择航姿信息进行处理；
在第三次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式；若不是，则进一步第四次选择航姿信息进行处理；所述第一次选择姿态信息直至第四次选择姿态信息中，依次选择稳定性更高的航姿高度作为飞机的高度信息。
综上所述，在地面与起降阶段的高度信息选择如表1所示：
表1地面与起降段高度信息选择表
表一 地面与起降段高度信息选择表
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，如图4所示，为了更好地实现本发明，进一步地，在除地面与起降阶段外的航行阶段中，优先选择大气压力传感器信息进行处理，若不满足使用大气压力传感器信息进行处理的条件，则进一步地第一次选择航姿信息进行处理；
在第一次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/DGPS模式或者INS/GNSS模式，若不满足条件，这进一步地选择VMC内部传感器信息进行处理；
在选择VMC内部传感器信息进行处理时，需要判断是否满足VMC内部传感器是否处于INS/DGPS模式、DGPS模式、INS/GNSS模式或者GNSS模式，则进一步地第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式，若不满足，则进一步地，第三次选择航姿信息进行处理；
所述第一次选择航姿信息到第三次选择航姿信息依次选择更高稳定性的航姿高度作为无人机高度信号。综上，在除地面与起降阶段外的航行阶段，具体的高度信息选择如下表2所示：
表2除地面与起降阶段外的航行阶段高度信息选择表
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，将飞行阶段分为地面与起降阶段、除地面与起降阶段外的航行阶段两个部分；并通过各信号源的通讯状态、工作模式以及数据有效性进行传感器余度选择，选择各个飞行阶段最优的高度信息提供到高度控制回路，对不满足的信号源进行隔离，并保证人工选择高度源的最高权限；所述高度信息包括VMC内部传感器信息、航姿信息、大气压力传感器信息、无线电高度表信息；
在地面与起降阶段包括以下阶段：地检、地面等待、起飞滑跑含滑行、起飞拉起、起飞爬升、进场、着陆第四边、着陆第五边、下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑、复飞、中止起飞、滑出、迫降、自毁；在进场阶段，飞控相对高度＜着陆航线第一点高度+1000m；
在下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段时，首先优先选择VMC内部传感器信息，若不满足VMC内部传感器处于INS/DGPS或DGPS模式且不满足未降级为无线电高度表，则判断是否满足使用无线电高度表信息，若满足则使用无线电高度表进行处理，反之，则进一步选用航姿信息进行处理。
2.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，在地面与起降阶段中除下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段外的阶段时，优先第一次选择VMC内部传感器信息进行，若VNC内部传感器不处于INS/DGPS模式或者DGPS模式，则进一步第一次选择航姿信息进行处理；
若在第一次选择航姿信息不满足导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式，则进一步第二次选择VMC内部传感器信息进行处理；
若在第二次选择VMC内部传感器信息时，VMC内部传感器不处于INS/GNSS或GNSS模式时，则进行第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/大气模式，若不是，则进一步地选择大气压力传感器信息进行处理；
若在选择大气压力传感器信息进行处理时不满足使用大气压力传感器信息的条件，则进一步地第三次选择航姿信息进行处理；
在第三次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式；若不是，则进一步第四次选择航姿信息进行处理；所述第一次选择姿态信息直至第四次选择姿态信息中，依次选择稳定性更高的航姿高度作为飞机的高度信息。
3.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，在除地面与起降阶段外的航行阶段中，优先选择大气压力传感器信息进行处理，若不满足使用大气压力传感器信息进行处理的条件，则进一步地第一次选择航姿信息进行处理；
在第一次选择航姿信息进行处理时，判断导航子模式是否为INS/DGPS模式或者INS/GNSS模式，若不满足条件，这进一步地选择VMC内部传感器信息进行处理；
在选择VMC内部传感器信息进行处理时，需要判断是否满足VMC内部传感器是否处于INS/DGPS模式、DGPS模式、INS/GNSS模式或者GNSS模式，则进一步地第二次选择航姿信息进行处理；
在第二次选择航姿信息时，判断导航子模式是否为GNSS模式，若不满足，则进一步地，第三次选择航姿信息进行处理；
所述第一次选择航姿信息到第三次选择航姿信息依次选择更高稳定性的航姿高度作为无人机高度信号。
4.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，所述航姿信息的使用条件为：
a）航姿通讯正常；
b）IMU状态正常；
c）高度数据有效性为有效；
d）导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式或INS/大气模式。
5.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，所述大气压力传感器信息的使用条件为：
a）大气压力传感器通讯正常；
b）高度数据有效。
6.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，所述无线电高度表信息的使用条件为：
a）处于下滑、轨迹拉平、航向对准、着陆滑跑阶段；
b）无线电高度表高度<30m；
c）无线电高度表通讯正常；
d）无线电高度表数据有效性为有效。
7.如权利要求1所述的一种小型轮式起降无人机高度余度管理方法，其特征在于，所述VNC内部传感器信息的使用条件为：
a)VMC内部传感器IMU导航子模式为INS/DGPS模式、INS/GNSS模式、DGPS或GNSS模式。
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