CN112849406B - 一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法，其优点包括：降落模块分成三个模块，主控制模块、出段降落控制模块、终段降落控制模块，相互耦合较少，方便针对各模块功能的扩展与改进；降落过程三个模块中都有复飞判断，能够较大提升飞机对于自身高度与复飞条件的判断，防止无人机因为判断不准、强行着陆带来的损失隐患。

Description

一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法

技术领域

本发明涉及一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法。

背景技术

低空手抛式太阳能无人机有广泛的应用前景，如航空摄像、侦查搜救等。但是手抛式无人机在起飞过程中需要抛掷人员和地面控制紧密配合，无论是抛掷人员还是地面控制人员都容易出现操纵失误。在降落过程中，同样需要地面控制人员有较好的无人机遥控操纵技术才能安全着陆。综上，手抛式小型太阳能无人机起飞、降落过程对于飞手的技术水平的依赖性较大，这极大限制了小型太阳能无人机的广泛使用。因此，急需一种适用于手抛式小型太阳能无人机的自动起飞、降落控制算法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动起飞控制方法，其特征在于包括：

A)在无人机起飞时，在无人机发动机处于关闭状态的情况下，在无人机抛掷人员开始加速助跑时开始计时t＝0，

B)在计时达到T_launch时，判断第一关系：

或v>v_thres

是否成立，其中：a_x是实时检测的机身轴线方向的加速度，

是预设的机身轴线方向的加速度阈值，v是实时检测的空速，v_thres是预设的空速阈值，

C)若第一关系不成立，则执行计时清零，并返回步骤B)；若第一关系成立，则启动发动机至最大功率，从而使抛掷人员可以在此时选择抛出无人机，

D)判断第二关系：

GoAround＝True

是否成立，其中：GoAround是预设量，

E)若第二关系成立，表示要求飞机当前立即返回地面，则把回归位置高度h_home设置为参考飞行高度h_ref：

h_ref＝h_home，

若第二关系不成立，则把飞行任务中第一个航点的高度h_wp0设置为参考飞行高度h_ref：

h_ref＝h_wp0，

F)判断无人机的当前高度h是否大于预设的滚转角限制高度阈值

即判断第三关系：

是否成立，

G)如果第三关系不成立，则设置滚转角目标值φ_ref为：

φ_ref＝0

如果第三关系成立，则进行到步骤H)，

H)判断当前高度h与目标高度的差距Δh_climbout是否满足第四关系：

h_ref-h>Δh_climbout

I)如果第四关系成立，则把控制操作设置为姿态/空速控制模式，进行正常飞行；如果第四关系不成立，则把控制操作设置为爬升模式。

根据本发明的另一个方面，提供了一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法，其特征在于包括：

S01)更新地形数据，

S02)判断地形数据是否成功更新，当更新未成功时进行复飞操作，当地形数据更新成功时判断当前高度h是否满足复飞条件，即判断第五关系：

h<h_Ga

是否成立，

S03)如果第五关系成立，表明 当前高度过低，不满足复飞条件，则设置布尔变量“Land_No_Return”为真，且之后不再执行复飞操作；如果第五关系不成立，则判断当前高度是否适合终段降落，即判断第六关系，第六关系有两个并列条件，满足其中任意一个即算第六关系成立：条件1为：

h_fl>h-h_ter且l_wp<l_fl+l_tol

条件2为：

Flaring＝true

其中，Flaring表示飞机的襟翼状态，如果Flaring为真，表示飞机已经打开襟翼；如果Flaring为假，表示飞机当前未打开襟翼,

S04)如果第六关系成立，表明当前高度较低且已经是降落的最后阶段，则操作进入终段降落控制模式；如果第六关系不成立，则操作进入初段降落控制模式，

其中：

终段降落控制模式是在高度很低情形下准备落地的控制模式，包括：

T01)判断Flaring模式(即襟翼是否开启)是否已开启,

T02)如果Flaring模式没有开启，则开启Flaring模式，并进入步骤T03)；如果Flaring模式已经开启，则直接进入步骤T03)，

T03)把参考飞行高度h_ref和目标空速v_ref更新为：

h_ref＝h_fl,v_ref＝v_land

其中，h_fl表示预设飞行轨线中确定的理想轨线高度的高度，由预设的终段轨线对应飞机状态给出，v_land则表示理想降落轨线的速度，由预设飞行轨线根据飞机当前状态给出，

T04)之后将h_ref和v_ref作为目标量输入无人机的固有飞行控制系统，进行飞行器舵面控制，之后回到步骤S01)之前的开始步骤，从而完成一次闭环控制，

初段降落控制模式是飞行高度较高仍需要不断降低高度进行过渡的控制模式，包括：

P01)判断当前高度是否能够复飞，即判断第七关系：

h_slope<h_GA且h-h_slope>Δh_GAtol

是否成立，

P02)第七关系成立，判断NO_RETURN布尔量是否为真，如果不为真则进行复飞操作；如果为真则不能复飞，则进行步骤P03)，

P03)把作为需要输入控制系统的目标控制量的参考飞行高度 h_ref和目标空速v_ref更新为：

h_ref＝h_slope,v_ref＝v_app

其中，h_slope是差分下降高度，v_app是初段降落控制模式空速，且 h_slope、v_app由预设的初段轨线根据当前所处不同轨线位置给出相应数值，

P03)之后，将h_ref、v_ref两个参考量输入底层自动控制系统，开始舵面控制，在完成相应的舵面控制之后返回到主控制模型，即进入所述开始步骤，从而完成一次初段闭环控制。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的固定翼无人机起飞控制模块。

图2显示了根据本发明的一个实施例的固定翼无人机降落主控制模块。

图3显示了根据本发明的一个实施例的固定翼无人机降落控制终段模块。

图4显示了根据本发明的一个实施例的固定翼无人机降落控制初段模块。

具体实施方式

手抛式小型太阳能无人机多采用手抛起飞方式，但是由于其大展弦比气动特点和较差的低速操控特性，在手抛起飞以及降落过程中对地面飞手的遥控控制技术要求非常高，故而大量的小型太阳能无人机损毁事故发生在起飞、降落阶段。因此，对于地面控制人员操纵技术的严重依赖较大提升了小型太阳能无人机的使用成本，限制了其大规模推广与应用。

近期，随着无人机飞行控制系统性能的不断提升，例如陀螺仪、加速度计、板载单片机等基础组件的性能提升，为飞行器手抛后起飞、降落的自动控制的实现提供了硬件的保证。本发明提供了一种基于典型飞行控制系统如pixhark的顶层二次设计的手抛式小型太阳能无人机的手抛自动起飞控制方法和系统与自动降落控制方法和系统，其实现了小型太阳能无人机手抛时的自动起飞控制与飞行任务完成后的自动降落控制。

根据本发明，在起飞阶段，在抛掷人员进行飞行器抛掷的过程中，利用固有飞控系统自动感知飞行器(无人机)的状态并进行对应的逻辑控制。首先，在手抛过程的第一阶段，地面人员或地面发射车辆携带无人机进行水平加速运动；在第二阶段，待达到飞行器所要求的起飞速度和加速度阈值后，进行飞行器的抛掷。根据本发明的自动控制方法所需要的系统参数如表1所示。

表1

根据本发明的一个实施例的固定翼无人机起飞控制方法和系统的流程如图1所示，下面详细介绍该控制模块的流程。如图1所示，自动起飞控制系统和方法启动(101)，发动机处于关闭状态，并开始计时t＝0。飞行器抛掷人员开始加速助跑过程。在计时达到T_launch后，在步骤102判断关系：

或v>v_thres

是否成立；若不成立则进入步骤103，在步骤103执行计时清零，并返回步骤102；若成立，则进入步骤104，启动发动机至最大功率，此时抛掷人员可以选择抛出飞机。之后进入步骤105后，关闭扰流板(如果飞行器/无人机没有扰流板，则跳过该步骤)。之后进入步骤106，判断是否回到地面：

GoAround＝True

其中，“GoAround”是提前设置的预设量，该变量的设置作用是方便起飞模式测试。如果该变量设置为真，则是希望飞机立刻返回地面，因为算法难度最大的101～106等步骤已经测试完成，飞机没有必要继续飞行。如果需要飞机立刻返回地面，则进入步骤107，将基地高度设置为目标高度，

h_ref＝h_home

如果本次需要飞机正常飞行，则在飞行前预设“GoAround”为否，此时会进入步骤108，把第一个航点的高度设置为目标高度：

h_ref＝h_wp0

在进行了步骤107或步骤108的处理之后，操作进入步骤109，判断当前高度是否大于滚转角限制高度阈值，即判断一下不等式是否成立(如果高度过低，需要尽快爬升，则应该限制滚转角在一个较小的范围内)：

如果步骤109中不等式不成立，说明高度较低，需要限制滚转角，则操作进入步骤110，设置滚转角目标值：

φ_ref＝0

如果步骤109中不等式成立，则不需要限制滚转角，操作进入步骤111，判断当前高度与目标高度的差距Δh_climbout是否满足以下不等式：

h_ref-h>Δh_climbout

如果步骤111的中不等式成立，说明当前高度距离目标高度差距不大，操作进入步骤112，设置控制模式为姿态/空速控制模式，开始正常飞行。如果步骤111的判断结果为假，说明当前高度距离参考高度过远，需要进一步爬升，则操作进入步骤113，设置控制模式为爬升模式。至此，自动起飞控制系统和方法的操作全部完成。

根据本专利的一个实施例的手抛式小型太阳能无人机自动降落控制方法和系统包括三个模块，分别是主控制模块、初段降落控制模块、终段降落控制模块。该方法和系统中涉及到的主要参数如表2所示：

表2

下面结合图2说明根据本发明的一个实施例的手抛式小型太阳能无人机自动降落控制方法。进入步骤201，打开飞机扰流板(如果飞机没有扰流板，否则跳过该步骤)。进入步骤202，更新地形数据(主要为地形高度数据)。进入步骤203，判断地形数据是否成功更新，如果更新未成功，进入步骤20x，即复飞步骤，复飞步骤要求切出降落模式，重新飞至巡航高度，待时机成熟再次降落。如果地形数据更新成功，则进入步骤204，判断当前高度是否满足复飞条件，即判断当前高度是否低于复飞高度阈值h_Ga：

h<h_Ga

如果该判断的结果为真，说明当前高度过低，不满足复飞条件，则执行步骤205，设置布尔变量“Land_No_Return”为真，该变量为真，表示当前没有复飞的条件，之后再也不会执行复飞操作。如果该判断的结果为假，则进入步骤206，判断当前高度是否适合终段降落，终段降落有两个可选条件，满足任何一个都可以切入终段降落模式，条件1为：

h_fl>h-h_ter且l_wp<l_fl+l_tol

条件2为：

Flaring＝true

其中，“Flaring”表示飞机的襟翼状态，如果Flaring为真，表示飞机已经打开襟翼；如果Flaring为假，表示飞机当前未打开襟翼。如果满足条件1和条件2中的任何一个，说明当前飞行器状态可以进入终段降落状态，则进入步骤207，进入终段控制模块；如果条件1和条件2都不满足，则进入步骤208，重新进入初段控制模块。

终段控制模型是在高度很低情形下准备落地的控制模式；初段降落控制模块，则是高度较高，仍需要不断降低高度进行过渡的控制模块。

结合图3说明根据本发明的一个实施例的终段降落模块。步骤301 操作开始。进入步骤302，首先进行逻辑判断Flaring模式是否已开启。“Flaring”表示飞机的襟翼状态，如果Flaring为真，表示飞机已经打开襟翼；如果Flaring为假，表示飞机当前未打开襟翼。如果襟翼当前未打开，则进入步骤303，开启Flaring模式，并进入步骤304。如果襟翼已经打开，则直接进入步骤304。在步骤304进行高度和速度的目标量更新：

h_ref＝h_fl,v_ref＝v_land

其中，h_fl表示预设飞行轨线中确定的理想轨线高度的高度，由预设的终段轨线对应飞机状态给出。v_land则表示理想降落轨线的速度，由预设飞行轨线根据飞机当前状态给出。之后，进入步骤305,将h_ref，v_ref作为目标量输入无人机固有飞行控制系统，进行正常的飞行器舵面控制。完成后进入步骤306，返回降落主控制模式，完成一次闭环控制。

现在结合图4说明根据本发明的一个实施例的初段控制模型。如果在主控制模型的步骤206处逻辑判断为假，则操作进入初段降落控制模块。在初段降落控制模块中，步骤401位开始，进入步骤402，判断当前高度是否能够复飞：

h_slope<h_GA且h-h_slope>Δh_GAtol

如果402判断为真，进入步骤403，判断NO_RETURN布尔量是否为真，如果为假则进入复飞步骤20X；如果真，则不能复飞，则进入步骤 405。

如步骤402处判断为假，则直接进入步骤405。在步骤405，更新需要输入控制系统的目标控制量：

h_ref＝h_slope,v_ref＝v_app

其中，h_slope、v_app由预设的初段轨线根据当前所处不同轨线位置给出相应数值。之后进入步骤406，将h_ref、v_ref两个参考量输入底层自动控制系统，开始舵面控制，最后进入步骤407，回到主控制模型，完成一次初段闭环控制。

本发明的有益效果与优点包括：

(1)本发明的起飞控制模块建立了合理的人机交互机制，合理分配了抛掷人员、控制人员、无人机感知控制系统之间的工作，飞机可以自动感知起飞过程中的空速，判断当前条件能否正常起飞，相关判断方法的准确率高于抛掷人员自身的感觉与判断，因此起飞成功率有了有效提升。

(2)本发明的降落模块分成三个模块，主控制模块、出段降落控制模块、终段降落控制模块，相互耦合较少，方便日后针对各模块功能的扩展与改进。

(3)本发明的降落过程三个模块中都有复飞判断，能够较大提升飞机对于自身高度与复飞条件的判断，防止无人机因为判断不准、强行着陆带来的损失隐患。

Claims (4)

1.一种手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法，其特征在于包括：

S01)更新地形数据，

S02)判断地形数据是否成功更新，当更新未成功时进行复飞操作，当地形数据更新成功时判断当前高度h是否满足复飞条件，即判断关系R1：

h<h_Ga

是否成立，其中h_Ga是预设的降落高度阈值，

S03)如果关系R1成立，表明 当前高度过低，不满足复飞条件，则设置布尔变量“Land_No_Return”为真，且之后不再执行复飞操作；如果关系R1不成立，则判断当前高度是否适合终段降落，即判断关系R2，关系R2有两个并列条件即条件R21和条件R22，满足其中任意一个即算关系R2成立：条件R21为：

h_fl>h-h_ter且l_wp<l_fl+l_tol

条件R22为：

Flaring＝true

其中，h_fl表示预设飞行轨线中确定的理想轨线高度的高度，由预设的终段轨线对应飞机状态给出，h_ter是实时感知的地面地形高度数据，l_wp是实时感知的距离目标点水平距离，l_fl是预设的终段水平距离阈值，l_tol是预设的终段水平耐受区间，Flaring表示飞机的襟翼状态，如果Flaring为真，表示飞机已经打开襟翼；如果Flaring为假，表示飞机当前未打开襟翼,

S04)如果关系R2成立，表明当前高度较低且已经是降落的最后阶段，则操作进入终段降落控制模式；如果关系R2不成立，则操作进入初段降落控制模式，

其中：

终段降落控制模式是在高度很低情形下准备落地的控制模式，包括：

T01)判断Flaring模式是否已开启,即襟翼是否开启，

T02)如果Flaring模式没有开启，则开启Flaring模式，并进入步骤T03)；如果Flaring模式已经开启，则直接进入步骤T03)，

T03)把参考飞行高度h_ref和目标空速v_ref更新为：

h_ref＝h_fl,v_ref＝v_land

其中，v_land则表示理想降落轨线的速度，由预设飞行轨线根据飞机当前状态给出，

T04)之后将h_ref和v_ref作为目标量输入无人机的固有飞行控制系统，进行飞行器舵面控制，之后回到步骤S01)之前的开始步骤，从而完成一次闭环控制，

初段降落控制模式是飞行高度较高仍需要不断降低高度进行过渡的控制模式，包括：

P01)判断当前高度是否能够复飞，即判断关系R3：

h_slope<h_Ga且

是否成立，

P02)关系R3成立，判断NO_RETURN布尔量是否为真，如果不为真则进行复飞操作；如果为真则不能复飞，则进行步骤P03)，

P03)把作为需要输入控制系统的目标控制量的参考飞行高度h_ref和目标空速v_ref更新为：

h_ref＝h_slope,v_ref＝v_app

其中，h_slope是差分下降高度，v_app是初段降落控制模式空速，且h_slope、v_app由预设的初段轨线根据当前所处不同轨线位置给出相应数值，P03)之后，将h_ref、v_ref两个参考量输入底层自动控制系统，开始舵面控制，在完成相应的舵面控制之后返回到主控制模型，即进入所述开始步骤，从而完成一次初段闭环控制。

2.根据权利要求1所述的手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法，其特征在于进一步包括：

在步骤S01)之前，打开飞机扰流板。

3.根据权利要求1或2所述的手抛式太阳能固定翼无人机的自动降落控制方法，其特征在于：

地形数据包括地形高度数据，

复飞操作包括切出降落模式和重新飞至巡航高度，以待时机成熟再次进行降落。

4.存储有计算机程序的存储介质，该计算机程序能使处理器执行根据权利要求1-3之一所述的方法。

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