CN114924581B - 一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法 - Google Patents

一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，包括以下步骤：1）设定无人机进入稳定飞行阶段后，进行俯仰角失效的判定时间；2）进入稳定飞行阶段后，根据无人机的姿态信息传感器的情况，进行无人机俯仰角失效的判定；3）以无人机的姿态信息传感器获得每拍的俯仰角θ和俯仰角速度q作为判据，通过俯仰角失效判断器对所得判据进行判断，如果连续10拍判断结果均为异常时，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效。本发明通过综合判断单余度无人机姿态传感器、位置传感器和迎角传感器相关数据，从而及时发现俯仰角失效信息，提醒无人机和飞行员立即做出相应应急处置，极大降低出现对无人机本身造成损害的可能性。

Description

一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法
技术领域
本发明涉及航空飞行控制领域，具体是指一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法。
背景技术
在无人机飞行领域，俯仰角作为无人机内环控制中的一个关键参数，在无人机稳定飞行控制中起到举足轻重的地位。而单余度无人机由于只有一个姿态传感器，且一旦姿态传感器中俯仰角失效将会严重影响单余度无人机的飞行安全。如2021年5月2号，某单余度无人机在爬升到5000m转平飞后突然俯仰角姿态数据发散，而姿态传感器并未报故，未报出俯仰角信息失效相关故障，也未提醒无人机和飞行员做出相应应急处置，造成无人机失速，无人机在高空5000m高度开伞，最终飘落到水塘，造成无人机进水，对无人机及成品造成一定的损伤。因此，从此事件可以看出，对于单余度无人机，及时判断出俯仰角信息是否失效，从而提醒无人机和飞行员做出相应应急处置，对无人机的飞行安全至关重要。
现有技术中，针对单余度无人机姿态传感器俯仰角在某些情况下（如俯仰角超出极限值），姿态信息传感器可以自主判别出是否失效，但只对数值超出极限值和姿态传感器断电等极个别情况才具有自主判别能力。而对于数据发散、数据异常波动等异常情况姿态传感器无法自主识别判定相关信息是否异常。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够弥补现有技术中单余度无人机俯仰角数据发散、数据波动等异常情况姿态传感器无法自主识别的技术空白，使无人机及时自主识别出姿态传感器中俯仰角信息是否失效的单余度无人机俯仰角失效的判定方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，包括以下步骤：
（1）设定无人机进入稳定飞行阶段后，进行俯仰角失效的判定时间；
（2）进入稳定飞行阶段后，根据无人机的姿态信息传感器的情况，进行无人机俯仰角失效的判定；
（3）以无人机的姿态信息传感器获得每拍的俯仰角θ和俯仰角速度q作为判据，通过俯仰角失效判断器对所得判据进行判断，如果连续10拍判断结果均为异常时，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效。
本技术方案的工作原理为，为了弥补现有技术中单余度无人机俯仰角数据发散、数据波动等异常情况姿态传感器无法自主识别的技术空白，本发明提供一种通过综合判断单余度无人机姿态传感器中俯仰角和俯仰角速率数据，位置传感器东向速度、北向速度和天向速度数据，迎角传感器中迎角数据来判断俯仰角数据是否失效。其目的是使无人机及时自主识别出姿态传感器中俯仰角信息是否失效，从而使无人机本身或飞行员立即做出相应应急处置，进而挽救飞机和人民生命财产安全。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，无人机进入稳定飞行阶段具体为，无人机处于爬升、平飞或下降的飞行阶段。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（1）中，无人机进入稳定飞行阶段10s后，进行俯仰角失效的判定。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（2）中，根据无人机的姿态信息传感器的情况，进行无人机俯仰角失效判定的具体过程为：
（2.1）根据无人机的姿态信传感器是否正常传输无人机信息，从而判断姿态信传感器是否断电，如果断电，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效；
（2.2）根据无人机的姿态信传感器传输无人机的俯仰角，判断该俯仰角是否超过俯仰角的极限值，如果超出，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中，通过俯仰角失效判断器对无人机俯仰角失效的判定的具体过程为：
（3.1.1）根据无人机的姿态信息传感器每拍传输的俯仰角θ，通过俯仰角微分求解器计算俯仰角微分得到的俯仰角速率为q jn ，计算公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，n=1、2、3……
其中，姿态信息传感器测得T 1 时刻俯仰角为θ 1 ，每一拍间隔时间为t，下一拍姿态信息传感器测得T 2 时刻俯仰角为θ 2 ，依此类推，第n拍测得俯仰角为θ n ，q jn 为由俯仰角微分得到的俯仰角速率，n为拍数序号；
（3.1.2）通过姿态信息传感器传输第n拍的俯仰角速率qn，与由俯仰角微分得到的俯仰角速率q jn 进行差值比较，判断其差值的绝对值是否超过安全阈值a 1 ，具体如下式所示：
Figure 180386DEST_PATH_IMAGE002
，n=1、2、3……
其中，n为拍数序号；
（3.1.3）如果10拍均超过安全阈值a1，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述安全阈值a 1为2。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中，通过俯仰角失效判断器对无人机俯仰角失效的判定的具体过程为：
（3.2.1）位置传感器测得T 1 时刻东向速度V e1 、北向速度为V n1 ，天向速度为V s1 ，每一拍间隔时间为t，依此类推，第n拍测得东向速度V en 、北向速度为V nn ，天向速度为V sn （向上为正），通过轨迹角解器计算得到轨迹角J n ，计算公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，n=1、2、3……
其中，1rad=57.3°，n为拍数序号；
（3.2.2）通过计算第n拍轨迹角求解器求得轨迹角J n 加迎角传感器测得的迎角α n 减去姿态信息传感器测得第n拍俯仰角θ n 的绝对值，根据该绝对值是否超过安全阈值a 2，具体如下式所示：
Figure 707313DEST_PATH_IMAGE004
，n=1、2、3……
其中，n为拍数序号；
（3.2.3）如果连续10拍均超过安全阈值a 2 ，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述安全阈值a 2为5。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤（3）中，每拍的时间t为0.5~1.5s。
本发明所述判断无人机俯仰角失效方法包括：俯仰角微分求解器、轨迹角求解器和俯仰角失效判断器。所述俯仰角微分求解器是通过对姿态传感器测得俯仰角数值进行微分处理；所述轨迹角求解器是通过位置传感器测得东向速度、北向速度和天向速度计算得到飞机此时的轨迹角；所述俯仰角失效判断器是通过俯仰角失效的判据来判断无人机俯仰角是否异常，为了避免误差，采取连续判断的方法，连续10拍判断结果都为异常时，即认定无人机俯仰角出现异常，并设置俯仰角失效标志位为有效。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明通过综合判断单余度无人机姿态传感器、位置传感器和迎角传感器相关数据，从而及时发现俯仰角失效信息，提醒无人机和飞行员立即做出相应应急处置，极大降低出现对人民安全、人民财产或无人机本身造成损害这种情况的可能性；
（2）本发明提供的识别方法使无人机在稳定飞行时能够及时自主识别俯仰角信息是否失效，判断过程简单，判断效率高，判断结果准确；
（3）本发明弥补现有技术中单余度无人机俯仰角数据发散、数据波动等异常情况姿态传感器无法自主识别的技术空白，使无人机及时自主识别出姿态传感器中俯仰角信息是否失效，从而使无人机本身或飞行员立即做出相应应急处置，进而挽救飞机和人民生命财产安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
图1为本发明中判定方法的具体流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。。
实施例1：
本实施例提供单余度无人机俯仰角失效的判定方法的具体流程，如图1所示，包括以下步骤：
（1）稳定飞行阶段是指无人机处于爬升、平飞或下降的飞行阶段；
（2）进入稳定飞行阶段10s后，如果姿态信息传感器报故则置俯仰角信息失效标志位为有效；
（3）进入稳定飞行阶段10s后，俯仰角微分求解器开始求解，姿态信息传感器测得T 1 时刻俯仰角为θ 1 ，每一拍间隔时间为t，下一拍姿态信息传感器测得T 2 时刻俯仰角为θ 2 ，依此类推，第n拍测得俯仰角为θ n ，由俯仰角微分得到的俯仰角速率为q jn ，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
n=1、2、3……
（4）进入稳定飞行阶段10s后，轨迹角解器开始求解，位置传感器测得T 1 时刻东向速度V e1 、北向速度为V n1 ，天向速度为V s1 ，每一拍间隔时间为t，依此类推，第n拍测得东向速度V en 、北向速度为V nn ，天向速度为V sn （向上为正），由轨迹角求解器求得的轨迹角J n ，计算公式如下：
Figure 273336DEST_PATH_IMAGE006
n=1、2、3……
（5）俯仰角失效判断器包含两个部分。第一部分判断俯仰角第n拍的微分q jn 减去姿态信息传感器测得的第n拍俯仰角速率q n 的绝对值是否超过安全阈值a 1 ，判据如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
n=1、2、3……
如果连续10拍均超过安全阈值a 1 ，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置。
（6）第二部分判断第n拍轨迹角求解器求得轨迹角J n 加迎角传感器测得的迎角α n 减去姿态信息传感器测得第n拍俯仰角θ n 的绝对值是否超过安全阈值a 2 ，判据如下式：
Figure 839184DEST_PATH_IMAGE008
n=1、2、3……
如果连续10拍均超过安全阈值a 2 ，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置。
（7）关于安全阈值a 1 和a 2 的确定：不同无人机由于所装传感器精度可能不同，造成安全阈值不同，一般可选用经验值：a 1 为2，a 2 为5。
其中俯仰角、轨迹角和迎角单位为度，俯仰角速率单位为度每秒，时间单位为秒，速度单位为米每秒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设定无人机进入稳定飞行阶段后，进行俯仰角失效的判定时间；所述无人机进入稳定飞行阶段具体为，无人机处于爬升、平飞或下降的飞行阶段；
（2）进入稳定飞行阶段后，根据无人机的姿态信息传感器的情况，进行无人机俯仰角失效的判定；
（3）以无人机的姿态信息传感器获得每拍的俯仰角θ和俯仰角速度q作为判据，通过俯仰角失效判断器对所得判据进行判断，如果连续10拍判断结果均为异常时，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效；
以无人机的姿态信息传感器获得每拍的俯仰角θ作为判据，过俯仰角失效判断器对无人机俯仰角失效的判定的具体过程为：
（3.1.1）根据无人机的姿态信息传感器每拍传输的俯仰角θ，通过俯仰角微分求解器计算俯仰角微分得到的俯仰角速率为q jn ，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，n=1、2、3……
其中，姿态信息传感器测得T 1 时刻俯仰角为θ 1 ，每一拍间隔时间为t，下一拍姿态信息传感器测得T 2 时刻俯仰角为θ 2 ，依此类推，第n拍测得俯仰角为θ n ，q jn 为由俯仰角微分得到的俯仰角速率，n为拍数序号；
（3.1.2）通过姿态信息传感器传输第n拍的俯仰角速率qn，与由俯仰角微分得到的俯仰角速率q jn 进行差值比较，判断其差值的绝对值是否超过安全阈值a 1 ，具体如下式所示：
Figure 666821DEST_PATH_IMAGE002
，n=1、2、3……
其中，n为拍数序号；
（3.1.3）如果10拍均超过安全阈值a1，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置；
以无人机的姿态信息传感器获得每拍的俯仰角速度q作为判据，过俯仰角失效判断器对无人机俯仰角失效的判定的具体过程为：
（3.2.1）位置传感器测得T 1 时刻东向速度V e1 、北向速度为V n1 ，天向速度为V s1 ，每一拍间隔时间为t，依此类推，第n拍测得东向速度V en 、北向速度为V nn ，天向速度为V sn ，向上为正，通过轨迹角解器计算得到轨迹角J n ，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，n=1、2、3……
其中，1rad=57.3°，n为拍数序号；
（3.2.2）通过计算第n拍轨迹角求解器求得轨迹角J n 加迎角传感器测得的迎角α n 减去姿态信息传感器测得第n拍俯仰角θ n 的绝对值，根据该绝对值是否超过安全阈值a 2，具体如下式所示：
Figure 724907DEST_PATH_IMAGE004
，n=1、2、3……
其中，n为拍数序号；
（3.2.3）如果连续10拍均超过安全阈值a 2 ，则认为姿态信息传感器测得的俯仰角信息失效，则置俯仰角失效标志位为有效，无人机需采取相应应急处置。
2.根据权利要求1所述的一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，所述步骤（1）中，无人机进入稳定飞行阶段10s后，进行俯仰角失效的判定。
3.根据权利要求1所述的一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，所述步骤（2）中，根据无人机的姿态信息传感器的情况，进行无人机俯仰角失效判定的具体过程为：
（2.1）根据无人机的姿态信传感器是否正常传输无人机信息，从而判断姿态信传感器是否断电，如果断电，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效；
（2.2）根据无人机的姿态信传感器传输无人机的俯仰角，判断该俯仰角是否超过俯仰角的极限值，如果超出，则判定无人机俯仰角失效，并设置俯仰角失效标志位为有效。
4.根据权利要求1所述的一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，所述安全阈值a 1为2。
5.根据权利要求1所述的一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，所述安全阈值a 2为5。
6.根据权利要求1所述的一种单余度无人机俯仰角失效的判定方法，其特征在于，所述步骤（3）中，每拍的时间t为0.5~1.5s。
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