CN114355965A - 一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备 - Google Patents

一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备 Download PDF

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CN114355965A CN202210276211.2A CN202210276211A CN114355965A CN 114355965 A CN114355965 A CN 114355965A CN 202210276211 A CN202210276211 A CN 202210276211A CN 114355965 A CN114355965 A CN 114355965A
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Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备，属于无人机控制技术领域，所述固定翼无人机的控制系统包括：上层控制系统和底层控制系统，底层控制系统采集传感器数据并传输给上层控制系统，以使其根据传感器数据和飞行计划实现所述固定翼无人机的制导控制，并生成期望姿态和油门信息并传输给底层控制系统；底层控制系统基于PID算法利用所述期望姿态和所述油门信息控制舵面角度和电机转速，从而实现所述固定翼无人机的姿态控制。本发明结合固定翼无人机的飞行特点，设计高性能、短延时、通信便捷的新型固定翼无人机的控制系统，能够协助无人机完成复杂的作战任务，弥补传统无人机控制系统的缺陷。

Description

一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备
技术领域
本发明属于无人机飞行控制技术领域，更具体地，涉及一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备。
背景技术
无人机是一种非载人航天器，起源于军事领域，具有重量轻、造价低、能够实现自主稳定飞行等特点。尤其是固定翼无人机，其具有飞行速度快、载荷大、机动性强等特点，因此被广泛应用于军事领域中，主要用来执行侦察、监视、电子对抗、协同作战等任务，能够有效降低己方人力消耗及人员伤亡，大大提高作战效率。
随着航空航天技术的发展以及无人固定翼无人机越来越复杂的应用环境，人们对无人机的需求不再局限于单一任务模式，希望无人机能够完成不同的飞行任务（如巡航、侦察、起降等）。为了完成这些复杂的任务，无人机需要有一套高性能高稳定性的控制系统。传统的基于单一控制板的控制系统能够完成简单的飞行任务，但其运算能力较低，对于目标侦察以及多无人机协同飞行任务不能有效执行，这对无人机控制系统提出了更高的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备，其目的在于，利用上层控制系统实现智能控制，并生成期望姿态和油门信息，利用底层控制系统基于PID算法利用所述期望姿态和所述油门信息控制舵面角度和电机转速，从而实现所述固定翼无人机的姿态控制，由此解决传统无人机控制系统运算能力低无法完成复杂作战任务的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固定翼无人机的控制系统，包括：
上层控制系统，用于根据接收到的传感器数据和飞行计划实现所述固定翼无人机的制导控制，并生成期望姿态和油门信息；
底层控制系统，与所述上层控制系统连接，采集所述传感器数据并传输至所述上层控制系统；还用于接收所述上层控制系统传输的所述期望姿态和所述油门信息，基于PID算法利用所述期望姿态和所述油门信息控制舵面角度和电机转速，从而实现所述固定翼无人机的姿态控制。
在其中一个实施例中，所述底层控制系统包括：
传感器模块，用于采集GPS信息和空速信息；
底层控制板，与所述传感器模块连接，包括：
陀螺仪，用于采集所述固定翼无人机的姿态信息；所述传感器数据包括所述GPS信息、所述空速信息和所述姿态信息；
单片机，用于传输所述传感器数据至所述上层控制系统，还用于利用所述PID算法处理接收到的所述期望姿态和所述油门信息从而生成舵面控制指令和电机控制指令；再利用所述舵面控制指令控制所述舵面角度，利用所述电机控制指令控制所述电机转速，从而实现所述固定翼无人机的姿态控制。
在其中一个实施例中，所述底层控制板安装于所述固定翼无人机的质心位置，从而提升所述陀螺仪的测量精度。
在其中一个实施例中，所述上层控制系统的制导控制包括：等待段控制、爬升段控制、巡航段控制和降落段控制。
在其中一个实施例中，所述爬升段控制包括：
进入所述巡航段后固定翼无人机俯仰通道保持定高飞行，侧向采用倾斜转弯形式 按任务航迹飞行，所述上层控制系统实时解算当前位置与下一导航点距离
Figure 578783DEST_PATH_IMAGE001
，当连续三 个周期满足
Figure 334249DEST_PATH_IMAGE002
时进入转弯控制；其中，
Figure 818583DEST_PATH_IMAGE003
为转弯半径，
Figure 634092DEST_PATH_IMAGE004
为转弯角度。
在其中一个实施例中，所述爬升段控制还包括：
转弯过程中，当连续三个周期满足
Figure 453143DEST_PATH_IMAGE005
时结束转弯控制进入直 线飞行控制，以通过控制转弯半径与弹道偏角实现精确控制；其中，
Figure 746722DEST_PATH_IMAGE006
为更新导航点后的 弹道偏角，
Figure 584096DEST_PATH_IMAGE007
为侧偏位置。
在其中一个实施例中，所述上层控制系统输出的期望姿态包括：期望俯仰角
Figure 570507DEST_PATH_IMAGE008
、滚转角
Figure 142434DEST_PATH_IMAGE009
、偏航角和转速；其中，
Figure 862872DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 430119DEST_PATH_IMAGE011
分 别为最大攻角和最小攻角，
Figure 462797DEST_PATH_IMAGE012
为实际俯仰角；当
Figure 381075DEST_PATH_IMAGE013
时，俯仰角指令
Figure 141089DEST_PATH_IMAGE014
；
当
Figure 828422DEST_PATH_IMAGE015
时，
Figure 563160DEST_PATH_IMAGE016
；
当
Figure 329253DEST_PATH_IMAGE017
时，
Figure 33904DEST_PATH_IMAGE018
；
当
Figure 451110DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 950225DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 702149DEST_PATH_IMAGE021
为发射架发射时刻俯仰角度，
Figure 944911DEST_PATH_IMAGE022
为在
Figure 216624DEST_PATH_IMAGE023
时刻的俯仰角度，
Figure 152219DEST_PATH_IMAGE024
为实际高度，
Figure 907552DEST_PATH_IMAGE025
为垂向速度，
Figure 829372DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 80225DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 921142DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 647658DEST_PATH_IMAGE029
指的是
Figure 966644DEST_PATH_IMAGE030
时间段的
Figure 478528DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 224767DEST_PATH_IMAGE032
指 的是
Figure 674465DEST_PATH_IMAGE033
时间段的
Figure 797142DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 22587DEST_PATH_IMAGE035
指的是
Figure 815094DEST_PATH_IMAGE036
时间段的
Figure 391568DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 52357DEST_PATH_IMAGE038
指的是
Figure 991363DEST_PATH_IMAGE039
时间段的
Figure 610563DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 143176DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 217442DEST_PATH_IMAGE042
为
Figure 417479DEST_PATH_IMAGE043
时刻的垂速，
Figure 942001DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 585079DEST_PATH_IMAGE045
时刻的高度，
Figure 118829DEST_PATH_IMAGE046
为
Figure 783159DEST_PATH_IMAGE047
时刻的垂速，
Figure 478583DEST_PATH_IMAGE048
为
Figure 985787DEST_PATH_IMAGE049
时刻的高度。
在其中一个实施例中，所述底层控制板对应的俯仰通道采用PID控制律为：
Figure 182282DEST_PATH_IMAGE050
；
其中，俯仰角的比例项为：
Figure 825753DEST_PATH_IMAGE051
，俯仰角的微分项为：
Figure 833024DEST_PATH_IMAGE052
，俯仰角的积分项为：
Figure 561945DEST_PATH_IMAGE053
；
Figure 437497DEST_PATH_IMAGE054
为为俯仰通 道比例项系数，
Figure 92732DEST_PATH_IMAGE055
为动压补偿系数，
Figure 864379DEST_PATH_IMAGE056
为俯仰通道微分项系数，
Figure 487121DEST_PATH_IMAGE057
为俯仰角速率，
Figure 635206DEST_PATH_IMAGE058
为 俯仰通道积分项系数，
Figure 518848DEST_PATH_IMAGE059
。
在其中一个实施例中，所述底层控制板对应的滚动通道采用PID控制律为：
Figure 851609DEST_PATH_IMAGE060
；滚转比例项为：
Figure 555123DEST_PATH_IMAGE061
；滚转微分项为：
Figure 647844DEST_PATH_IMAGE062
，滚转积分项为：
Figure 120414DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 765022DEST_PATH_IMAGE064
为滚转通道比例项 系数，
Figure 850439DEST_PATH_IMAGE065
为滚转通道比例项系数，
Figure 605906DEST_PATH_IMAGE066
为滚转通道积分项系数，
Figure 73927DEST_PATH_IMAGE067
为滚转角速率；
直线飞行中
Figure 889436DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 692176DEST_PATH_IMAGE069
为侧偏距离，
Figure 985754DEST_PATH_IMAGE070
为侧偏速度，
Figure 698495DEST_PATH_IMAGE071
为侧偏距离积分；
转弯飞行中，
Figure 560272DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 725674DEST_PATH_IMAGE073
为距离转弯圆心点 距离，
Figure 449042DEST_PATH_IMAGE074
为侧偏速度，
Figure 16289DEST_PATH_IMAGE075
为距离转弯圆心点距离的积分，
Figure 908022DEST_PATH_IMAGE076
为导航解算出的期望转 弯半径，
Figure 436086DEST_PATH_IMAGE077
为导航解算无人机与期望转弯航迹侧偏速度；
其中，
Figure 337046DEST_PATH_IMAGE078
为无人机横侧向的微分项系数，
Figure 883434DEST_PATH_IMAGE079
为无人机横侧向的比例项系数，
Figure 211647DEST_PATH_IMAGE080
为无人机横侧向的积分项系数。
按照本发明的另一方面，提供了一种固定翼无人机设备，包括：
电源系统，用于提供电源；
执行机构系统，与所述电源系统连接，包括：舵机和电机；
所述的固定翼无人机的控制系统，与所述电源系统和所述执行机构系统连接，用于控制所述舵机的角度和所述电机的转速，实现制导控制和姿态控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种固定翼无人机的控制系统及固定翼无人机设备，所述固定翼无人机的控制系统包括：上层控制系统和底层控制系统，底层控制系统采集传感器数据并传输给上层控制系统，以使其根据传感器数据实现所述固定翼无人机的制导控制，上层控制系统根据飞行计划生成期望姿态和油门信息并传输给底层控制系统；底层控制系统基于PID算法利用所述期望姿态和所述油门信息控制舵面角度和电机转速，从而实现所述固定翼无人机的姿态控制。本发明结合固定翼无人机的飞行特点，设计高性能、短延时、通信便捷的新型固定翼无人机的控制系统，能够协助无人机完成复杂的作战任务，弥补传统无人机控制系统的缺陷。
附图说明
图1为本发明一实施例中固定翼无人机设备的系统框图。
图2为本发明一实施例中固定翼无人机设备的机械结构三视图。
图3为本发明一实施例中固定翼无人机设备的立体结构图。
图4为本发明一实施例中固定翼无人机的控制系统的拓扑图。
图5为本发明一实施例中固定翼无人机的制导飞行示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种固定翼无人机设备，包括：
电源系统，用于提供电源；
执行机构系统，与电源系统连接，包括：舵机和电机；
固定翼无人机的控制系统，与电源系统和执行机构系统连接，用于控制舵机的角度和电机的转速，实现制导控制和姿态控制。
具体的，如图1所示，固定翼无人机设备主要包括五个系统：无人机机械结构、上层控制系统、底层控制系统、电源系统和执行机构系统。其中，上层控制系统，可以包括RK3399控制板主要利用底层控制系统传回来的传感器数据，比如GPS、速度、姿态和空速信息，实现制导控制器。上层控制系统还向底层控制系统发送期望姿态与油门信息。底层控制系统（姿态控制系统），通过上层控制系统传来的期望姿态与油门，底层控制系统中的控制板（如Pixhawk）利用PID的控制方法控制舵面与电机。执行机构负责无人机的舵面角度、电机转速的控制和伞仓舵机。电源系统负责给上述系统提供电源。
其中，上层控制板可以采用RK3399，操作系统环境为Ubuntu18.04，并采用基于MAVROS功能包的ROS系统，与Pixhawk的交互，实现制导控制器。通信电台，该通信设备传输距离在无遮挡情况下可以达到10km，能够在10km范围内实现无人机与地面站通信。通过通信电台便可以向无人机发送指令，并回传无人机状态信息，在地面站软件中实时显示出来。底层控制板Pixhawk主要处理无人机底层姿态稳定控制的问题。该姿态控制板集成的传感器系统包括：陀螺仪；连接的外部传感器有GPS机载单元、空速管，姿态控制板通过传感器获得姿态、位置信息，通过姿态控制算法，实现无人机的姿态稳定控制。
需要补充说明的是，固定翼无人机设备的结构如图2所示，由机身、机翼、水平尾翼和垂直尾翼组成，其中机身由头罩、后段组成。机身后段包含外壳和设备板，设备安装于设备板，电机安装于机身尾部。机翼和尾翼为单块式结构，结构简单可靠，左右前机翼和后机翼可折叠至机身下方，垂尾可折叠至机身侧面。
固定翼无人机设备的立体图如图3所示，飞机头部位置安装空速管，并在头部做出一个伞舱，安装降落伞。机身中段靠前位置安装电池、GPS模块、飞控机，中部位置安装上层控制板RK3399与底层控制控制板Pixhawk，后部安装通信电台以及电调，在尾罩部位安装电机，电机通过横向安装板固定于机身尾部，伸出轴连接螺旋桨罩。舵机安装在前机翼中部，线缆穿过机翼与舱内底层控制板Pixhawk进行连接。
无人机飞行姿态控制的执行机构包括舵机、电机、折叠桨叶，通过控制左右副翼舵机来改变无人机飞行姿态；通过控制伞仓舵机，控制无人机降落；通过控制电机、桨叶改变无人机的推力；由上层控制系统、底层控制系统与执行机构系统构成了核心的固定翼无人机的控制系统，连接如图4所示。
关于电源系统，本无人机的电源系统通常采用锂铂电池。电池经过电源模块后分为三路：第一路经过降压模块，将电压降至5V输出给Pixhawk与舵机；第二路通过一个电源适配模块将至12V给上层控制板RK3399供电与通信电台；第三路直通过电调给动力系统电机供电。
本发明还提供了一种固定翼无人机的控制系统，包括：
上层控制系统，用于根据接收到的传感器数据和飞行计划实现所述固定翼无人机的制导控制，并根据传感器数据和飞行计划生成期望姿态和油门信息；
底层控制系统，与上层控制系统连接，采集传感器数据并传输至上层控制系统；还用于接收上层控制系统传输的期望姿态和油门信息，基于PID算法利用期望姿态和油门信息控制舵面角度和电机转速，从而实现固定翼无人机的姿态控制。
具体的，上层制导控制算法所运行的软件环境是ROS(Robot Operating System,机器人操作系统)。本系统使用ROS系统主要原因是ROS中的有Mavros功能包，本功能包的作用是：将来自自动驾驶仪的无人机状态数据由Mavlink通信协议转换为ROS的进程间的通讯的协议。本文设计的固定翼无人机的控制系统，可以以Pixhawk底层控制板为内环，输入期望姿态，输出舵机与电机控制信号；可以以RK3399上层控制板为外环，输入飞行计划，输出期望姿态角与油门量。利用MAVROS功能包建立两者通信，做到内外环级联控制。
其中，固定翼无人机对应的作战编队涉及等待、爬升、巡航、降落四个阶段，来实现整个飞行制导流程，如图5所示。
爬升段：在地面准备完成后，地面操作人员通过地面站发送转飞控指令，固定翼无人机进入飞控流程，操作人员操作发射架发射，发射过程中飞控系统接收到飞行速度大于10m/s且轴向过载小于0g或者飞行速度大于10m/s且相对地面高度大于1.4m时记录当前时间（T1）作为飞控启控点，然后控制电机以最大转速工作，并且在1s内从弹射出发射架时刻无人机俯仰角度过渡到15°。到达爬升点（T2）后以垂速3m/s平缓爬升。到垂速控制点（T3），无人机控制垂速指数衰减至0，当高度>50m或弹道倾角<0度时进入巡航段（T4）。
巡航段：进入巡航段后固定翼无人机俯仰通道保持定高飞行，侧向采用BTT形式按 任务航迹飞行，上层控制板实时解算当前位置与下一导航点距离，连续三个周期满足
Figure 86062DEST_PATH_IMAGE081
时，进入转弯控制。其中，
Figure 400500DEST_PATH_IMAGE082
为距离下一导航点距离，
Figure 676761DEST_PATH_IMAGE083
为 转弯半径，
Figure 799044DEST_PATH_IMAGE084
为转弯角度。转弯过程中，通过控制转弯半径与弹道偏角实现精确控制，连 续三个周期满足
Figure 691914DEST_PATH_IMAGE085
时结束转弯控制，进入直线飞行控制，其中，
Figure 810043DEST_PATH_IMAGE086
为更 新导航点后的弹道偏角，
Figure 206389DEST_PATH_IMAGE087
为侧偏位置。
下滑及开伞段：无人机判断飞过最后一导航点后进入开伞点，电机停转，打开伞仓舵机，降落伞展开无人机安全降落。
Figure 610825DEST_PATH_IMAGE088
在其中一个实施例中，底层控制系统包括：传感器模块，用于采集GPS信息和空速信息；底层控制板，与传感器模块连接，包括：陀螺仪，用于采集固定翼无人机的姿态信息；传感器数据包括GPS信息、空速信息和姿态信息；传感器数据还可以包括经纬度、速度、高度等。
单片机，用于传输传感器数据至上层控制系统，还用于利用PID算法处理接收到的期望姿态和油门信息从而生成舵面控制指令和电机控制指令；再利用舵面控制指令控制舵面角度，利用电机控制指令控制电机转速，从而实现固定翼无人机的姿态控制。
在其中一个实施例中，底层控制板安装于固定翼无人机的质心位置，从而提升陀螺仪的测量精度。
在其中一个实施例中，上层控制系统的制导控制包括：等待段控制、爬升段控制、巡航段控制和降落段控制。
在其中一个实施例中，爬升段控制包括：
进入巡航段后固定翼无人机俯仰通道保持定高飞行，侧向采用倾斜转弯形式按任 务航迹飞行，上层控制系统实时解算当前位置与下一导航点距离
Figure 584467DEST_PATH_IMAGE089
，当连续三个周期 满足
Figure 365341DEST_PATH_IMAGE090
时进入转弯控制；其中，
Figure 757139DEST_PATH_IMAGE091
为转弯半径，
Figure 598056DEST_PATH_IMAGE004
为转弯角度。
在其中一个实施例中，爬升段控制还包括：
转弯过程中，当连续三个周期满足
Figure 668780DEST_PATH_IMAGE092
时结束转弯控制进入直线 飞行控制，以通过控制转弯半径与弹道偏角实现精确控制；其中，
Figure 879444DEST_PATH_IMAGE093
为更新导航点后的 弹道偏角，
Figure 984803DEST_PATH_IMAGE094
为侧偏位置。
在其中一个实施例中，上层控制系统输出的期望姿态包括：期望俯仰角
Figure 871988DEST_PATH_IMAGE095
、滚转角
Figure 961166DEST_PATH_IMAGE096
、偏航角和转速；其中，
Figure 818264DEST_PATH_IMAGE097
和
Figure 433922DEST_PATH_IMAGE098
分别为最大攻角和最小攻角，
Figure 351062DEST_PATH_IMAGE012
为实际俯仰角；当
Figure 537324DEST_PATH_IMAGE013
时，俯仰角指令
Figure 198113DEST_PATH_IMAGE014
；
当
Figure 543643DEST_PATH_IMAGE015
时，
Figure 514574DEST_PATH_IMAGE016
；
当
Figure 47186DEST_PATH_IMAGE017
时，
Figure 652611DEST_PATH_IMAGE099
；
当
Figure 852648DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 111591DEST_PATH_IMAGE100
；
Figure 256134DEST_PATH_IMAGE101
为发射架发射时刻俯仰角度，
Figure 789883DEST_PATH_IMAGE102
为在
Figure 719793DEST_PATH_IMAGE103
时刻的俯仰角 度，H为实际高度，
Figure 149638DEST_PATH_IMAGE104
为垂向速度，
Figure 922422DEST_PATH_IMAGE105
；
Figure 354802DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 263852DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 271123DEST_PATH_IMAGE106
指的是
Figure 44DEST_PATH_IMAGE107
时间段的
Figure 875596DEST_PATH_IMAGE108
，
Figure 498208DEST_PATH_IMAGE109
指的是
Figure 801013DEST_PATH_IMAGE110
时间段的
Figure 17231DEST_PATH_IMAGE111
；
Figure 306261DEST_PATH_IMAGE112
指的是
Figure 924324DEST_PATH_IMAGE113
时间段的
Figure 21199DEST_PATH_IMAGE114
，
Figure 724713DEST_PATH_IMAGE115
指的是
Figure 942068DEST_PATH_IMAGE039
时间段的
Figure 290004DEST_PATH_IMAGE116
；
Figure 934612DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 125422DEST_PATH_IMAGE117
为
Figure 5522DEST_PATH_IMAGE118
时刻的垂速，
Figure 863756DEST_PATH_IMAGE119
为
Figure 289053DEST_PATH_IMAGE120
时刻的高 度，
Figure 967159DEST_PATH_IMAGE046
为
Figure 260737DEST_PATH_IMAGE047
时刻的垂速，
Figure 599576DEST_PATH_IMAGE121
为
Figure 585987DEST_PATH_IMAGE049
时刻的高度。
其中，根据
Figure 361176DEST_PATH_IMAGE122
和
Figure 458445DEST_PATH_IMAGE098
对俯仰角指令
Figure 25693DEST_PATH_IMAGE123
进行限幅，举例来说，
Figure 307638DEST_PATH_IMAGE124
。
在其中一个实施例中，在底层控制板实现姿态环控制器，俯仰通道采用俯仰角PID 控制结构，设计控制律如下：
Figure 694757DEST_PATH_IMAGE125
；
其中，俯仰角的比例项为：
Figure 471083DEST_PATH_IMAGE126
，俯仰角的微分项为：
Figure 892837DEST_PATH_IMAGE127
，俯仰角的积分项为：
Figure 221051DEST_PATH_IMAGE128
；
Figure 990073DEST_PATH_IMAGE129
为为俯仰通 道比例项系数，
Figure 163566DEST_PATH_IMAGE130
为动压补偿系数，
Figure 580772DEST_PATH_IMAGE131
为俯仰通道微分项系数，
Figure 79886DEST_PATH_IMAGE132
为俯仰角速率，
Figure 441597DEST_PATH_IMAGE133
为俯仰通道积分项系数，
Figure 543414DEST_PATH_IMAGE134
。
其中，式中控制参数
Figure 939761DEST_PATH_IMAGE135
，
Figure 485143DEST_PATH_IMAGE136
，
Figure 334150DEST_PATH_IMAGE137
,
Figure 380603DEST_PATH_IMAGE138
为动压修正项，V为 空速。
在其中一个实施例中，在底层控制板实现姿态环控制器，滚转通道采用PID控制， 设计控制律为：
Figure 991975DEST_PATH_IMAGE139
；滚动比例项为：
Figure 832893DEST_PATH_IMAGE140
；滚动 微分项为：
Figure 169196DEST_PATH_IMAGE141
，滚动积分项为：
Figure 629127DEST_PATH_IMAGE142
，
Figure 734487DEST_PATH_IMAGE143
为滚转 通道比例项系数，
Figure 870939DEST_PATH_IMAGE144
为滚转通道比例项系数，
Figure 694538DEST_PATH_IMAGE145
为滚转通道积分项系数，
Figure 817215DEST_PATH_IMAGE146
为滚转角 速率；
直线飞行中
Figure 652447DEST_PATH_IMAGE147
，
Figure 835167DEST_PATH_IMAGE148
为侧偏距离，
Figure 146062DEST_PATH_IMAGE149
为侧偏速 度，
Figure 695599DEST_PATH_IMAGE150
为侧偏距离积分；
转弯飞行中，
Figure 775550DEST_PATH_IMAGE151
，
Figure 863592DEST_PATH_IMAGE152
为距离转弯 圆心点距离，
Figure 537150DEST_PATH_IMAGE153
为侧偏速度，
Figure 1629DEST_PATH_IMAGE154
为距离转弯圆心点距离的积分，
Figure 591880DEST_PATH_IMAGE155
为导航解算出的 期望转弯半径，
Figure 116402DEST_PATH_IMAGE156
为导航解算无人机与期望转弯航迹侧偏速度；
其中，
Figure 542835DEST_PATH_IMAGE157
为无人机横侧向的微分项系数，
Figure 545426DEST_PATH_IMAGE158
为无人机横侧向的比例项系数，
Figure 226068DEST_PATH_IMAGE159
为无人机横侧向的积分项系数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固定翼无人机的控制系统，其特征在于，包括：
上层控制系统，用于根据接收到的传感器数据和飞行计划对所述固定翼无人机进行制导控制，并生成期望姿态和油门信息；
底层控制系统，与所述上层控制系统连接，采集所述传感器数据并传输至所述上层控制系统；还用于接收所述上层控制系统传输的所述期望姿态和所述油门信息，基于PID算法利用所述期望姿态和所述油门信息控制舵面角度和电机转速，以对所述固定翼无人机的姿态进行控制。
2.如权利要求1所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述底层控制系统包括：
传感器模块，用于采集GPS信息和空速信息；
底层控制板，与所述传感器模块连接，包括：
陀螺仪，用于采集所述固定翼无人机的姿态信息；所述传感器数据包括所述GPS信息、所述空速信息和所述姿态信息；
单片机，用于传输所述传感器数据至所述上层控制系统，还用于利用所述PID算法处理接收到的所述期望姿态和所述油门信息从而生成舵面控制指令和电机控制指令；再利用所述舵面控制指令控制舵面角度，利用所述电机控制指令控制电机转速，以对所述固定翼无人机的姿态进行控制。
3.如权利要求2所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述底层控制板安装于所述固定翼无人机的质心位置。
4.如权利要求1所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述上层控制系统的制导控制包括：等待段控制、爬升段控制、巡航段控制和降落段控制。
5.如权利要求4所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述爬升段控制包括：
进入所述巡航段后固定翼无人机俯仰通道保持定高飞行，侧向采用倾斜转弯形式按任 务航迹飞行，所述上层控制系统实时解算当前位置与下一导航点距离
Figure 226483DEST_PATH_IMAGE001
，当连续三个 周期满足
Figure 878044DEST_PATH_IMAGE002
时进入转弯控制；其中，
Figure 126622DEST_PATH_IMAGE003
为转弯半径，
Figure 256253DEST_PATH_IMAGE004
为转 弯角度。
6.如权利要求5所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述爬升段控制还包括：
转弯过程中，当连续三个周期满足
Figure 552848DEST_PATH_IMAGE005
时结束转弯控制进入直线飞行 控制；其中，
Figure 109732DEST_PATH_IMAGE006
为更新导航点后的弹道偏角，
Figure 111186DEST_PATH_IMAGE007
为侧偏位置。
7.如权利要求1所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述上层控制系统输出 的期望姿态包括：期望俯仰角
Figure 44507DEST_PATH_IMAGE008
、滚转角
Figure 447806DEST_PATH_IMAGE009
、偏航角和 转速；其中，
Figure 175591DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 664341DEST_PATH_IMAGE011
分别为最大攻角和最小攻角，
Figure 135773DEST_PATH_IMAGE012
为实际俯仰角；当
Figure 642847DEST_PATH_IMAGE013
时，俯仰角 指令
Figure 807112DEST_PATH_IMAGE014
；
当
Figure 783158DEST_PATH_IMAGE015
时，
Figure 792703DEST_PATH_IMAGE016
；
当
Figure 170594DEST_PATH_IMAGE017
时，
Figure 240182DEST_PATH_IMAGE019
；
当
Figure 703524DEST_PATH_IMAGE020
时，
Figure 516759DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 234311DEST_PATH_IMAGE023
为发射架发射时刻俯仰角度，
Figure 740378DEST_PATH_IMAGE024
为在
Figure 425438DEST_PATH_IMAGE025
时刻的俯仰角度，
Figure 42364DEST_PATH_IMAGE026
为实际高度，
Figure 129268DEST_PATH_IMAGE027
为垂向速度，
Figure 806237DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 978593DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure 382898DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure 589889DEST_PATH_IMAGE031
指的是
Figure 437759DEST_PATH_IMAGE032
时间段的
Figure 831831DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 790560DEST_PATH_IMAGE034
指的是
Figure 586477DEST_PATH_IMAGE035
时间段的
Figure 870828DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 17776DEST_PATH_IMAGE037
指的是
Figure 262419DEST_PATH_IMAGE038
时间段的
Figure 178422DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 102516DEST_PATH_IMAGE040
指的是
Figure 736760DEST_PATH_IMAGE041
时间段的
Figure 37291DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 73380DEST_PATH_IMAGE043
；
Figure 168375DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 539182DEST_PATH_IMAGE045
时刻的垂速，
Figure 643405DEST_PATH_IMAGE046
为
Figure 268421DEST_PATH_IMAGE047
时 刻的高度，
Figure 799897DEST_PATH_IMAGE048
为
Figure 143153DEST_PATH_IMAGE049
时刻的垂速，
Figure 51066DEST_PATH_IMAGE050
为
Figure 796169DEST_PATH_IMAGE051
时刻的高度。
8.如权利要求7所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述底层控制板对应的 俯仰通道采用PID控制律为：
Figure 498545DEST_PATH_IMAGE052
；
其中，俯仰角的比例项为：
Figure 79830DEST_PATH_IMAGE053
，俯仰角的微分项为：
Figure 525855DEST_PATH_IMAGE054
， 俯仰角的积分项为：
Figure 125464DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure 998742DEST_PATH_IMAGE056
为为俯仰通道比例项系数，
Figure 51012DEST_PATH_IMAGE057
为动 压补偿系数，
Figure 35148DEST_PATH_IMAGE058
为俯仰通道微分项系数，
Figure 754842DEST_PATH_IMAGE059
为俯仰角速率，
Figure 48289DEST_PATH_IMAGE060
为俯仰通道积分项系数，
Figure 853434DEST_PATH_IMAGE061
。
9.如权利要求7所述的固定翼无人机的控制系统，其特征在于，所述底层控制板对应的 滚动通道采用PID控制律为：
Figure 641262DEST_PATH_IMAGE062
；滚动比例项为：
Figure 215463DEST_PATH_IMAGE063
；滚动微分项为：
Figure 430543DEST_PATH_IMAGE064
，滚动积分项为：
Figure 457405DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 48923DEST_PATH_IMAGE066
为滚转通道比例项系数，
Figure 477631DEST_PATH_IMAGE067
为滚转通道比例项系 数，
Figure 345836DEST_PATH_IMAGE068
为滚转通道积分项系数，
Figure 125573DEST_PATH_IMAGE069
为滚转角速率；
直线飞行中
Figure 255203DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 538417DEST_PATH_IMAGE071
为侧偏距离，
Figure 360880DEST_PATH_IMAGE072
为侧偏速度，
Figure 362334DEST_PATH_IMAGE073
为侧偏距离积分；
转弯飞行中，
Figure 295655DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 682643DEST_PATH_IMAGE075
为距离转弯圆心 点距离，
Figure 676006DEST_PATH_IMAGE076
为侧偏速度，
Figure 164757DEST_PATH_IMAGE077
为距离转弯圆心点距离的积分，
Figure 636189DEST_PATH_IMAGE078
为导航解算出的 期望转弯半径，
Figure 893995DEST_PATH_IMAGE079
为导航解算无人机与期望转弯航迹侧偏速度；
其中，
Figure 58260DEST_PATH_IMAGE080
为无人机横侧向的微分项系数，
Figure 503148DEST_PATH_IMAGE081
为无人机横侧向的比例项系数，
Figure 529004DEST_PATH_IMAGE082
为 无人机横侧向的积分项系数。
10.一种固定翼无人机设备，其特征在于，包括：
电源系统，用于提供电源；
执行机构系统，与所述电源系统连接，包括：舵机和电机；
权利要求1-9任一项所述的固定翼无人机的控制系统，与所述电源系统和所述执行机构系统连接，用于控制所述舵机的角度和所述电机的转速，以进行制导控制和姿态控制。
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