CN116088566A - 一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机 - Google Patents

一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机 Download PDF

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CN116088566A CN202211633153.0A CN202211633153A CN116088566A CN 116088566 A CN116088566 A CN 116088566A CN 202211633153 A CN202211633153 A CN 202211633153A CN 116088566 A CN116088566 A CN 116088566A
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张凯
邹宇翔
郭杰
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仪志胜
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    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
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Abstract

本申请公开了一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机，其中，控制方法包括：实时获取无人机当前高度的风速风向；根据目标对象的地速
Figure DDA0004006586210000011
与当前风速风向计算无人机的目标真空速
Figure DDA0004006586210000012
在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速
Figure DDA0004006586210000013
与最大飞行真空速
Figure DDA0004006586210000014
和所述目标真空速
Figure DDA0004006586210000015
之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。本发明能够提高无人机地速自适应能力，提高在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。

Description

一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制技术领域，更具体地，涉及一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机。
背景技术
无人机具有广泛的应用领域，在进行目标跟踪、森林防火、资源探测或编队飞行时，可能遭遇时变性较强的外界扰动，要求无人机相对目标、相对地面或编队前方飞机的速度在遭遇外界扰动时能够根据任务特征进行自适应调节，具有无人机地速自适应巡航的能力。
无人机可在任何区域对特定目标执行探测跟踪任务，包括海面地面空中的固定或移动目标。无人机执行海上监视或护航任务，会对海上目标舰船进行跟踪识别，获取目标信息后与目标保持一定的相对位置速度关系，形成非对称压制态势。无人机进行森林防火或资源探测时，需保持固定高度和固定地速对目标区域进行均匀探测，为保证探测结果的连续性，最好能够保持恒定地速，针对外界干扰需提高地速的自适应控制能力。无人机在进行编队飞行时，尤其是相对紧密的编队，当前方飞机出现速度调整时，跟随飞机也需进行相应调整，以确保飞行安全和编队队形。无人机与目标的相对位置关系都是通过地面系确认的，无人机相对地面的速度为地速，无人机无论是任务跟踪和编队飞行还是对地探测都需要保持地速的自适应能力，通过地速的自适应控制才能更准确有效的进行任务活动。
当前无人机在进行任务跟踪或对地探测时按照预先航迹以相对固定的空速进行飞行，并不考虑外界风场变化导致的地速变化；无人机编队飞行按照预设航迹后保留安全距离，并且均是同一型号的编队，并未考虑有人机与无人机混编时地速自适应问题，任务效率和连续性有待加强。
因此，有必要开发一种无人机地速自适应控制方法，提高无人机在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提出一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机，能够提高无人机地速自适应能力，提高在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。
基于上述目的，本发明提供了一种无人机地速自适应控制方法，包括：
实时获取无人机当前高度的风速风向；
根据目标对象的地速
Figure BDA0004006586190000021
与当前风速风向计算无人机的目标真空速
Figure BDA0004006586190000022
在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速
Figure BDA0004006586190000023
与最大飞行真空速
Figure BDA0004006586190000024
和所述目标真空速
Figure BDA0004006586190000025
之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。
可选方案中，所述确定无人机地速自适应策略包括：
若
Figure BDA0004006586190000026
无人机不改变飞行高度，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；
若
Figure BDA0004006586190000027
无人机爬升飞行高度，再次判断
Figure BDA0004006586190000028
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；
若
Figure BDA0004006586190000029
无人机降低飞行高度，再次判断
Figure BDA00040065861900000210
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节。
可选方案中，所述采用飞行姿态的自适应调节控制地速包括：
其中ρ0为海平面大气密度，根据无人机气压高度Hp和大气当地密度ρ，计算无人机目标指示空速Vic，
Figure BDA0004006586190000031
根据所述目标指示空速Vic，计算无人机升力系数Cl，
Figure BDA0004006586190000032
其中，m表示无人机总重，g表示重力加速度，S表示无人机机翼面积，根据无人机升力系数Cl计算无人机目标飞行攻角αc，并对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，同时计算无人机的匹配推力，以跟踪所述目标指示空速Vic。
可选方案中，根据以下公式获得无人机升降舵指令角度
Figure BDA0004006586190000033
进而对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，
Figure BDA0004006586190000034
其中，q为俯仰角速率，Kq为俯仰角速率控制增益，α为无人机飞行攻角，Kα为攻角控制增益，K∫α为攻角积分控制增益，
Figure BDA0004006586190000035
为理论状态升降舵配平角度。
可选方案中，所述计算无人机的匹配推力油门大小
Figure BDA0004006586190000036
以跟踪所述目标指示空速Vic包括：
Figure BDA0004006586190000037
其中，Vi为无人机当前飞行指示空速，KVi为指示空速控制增益，
Figure BDA0004006586190000039
为指示空速积分控制增益，
Figure BDA0004006586190000038
为无人机配平所述推力的油门百分比。
可选方案中，若无人机通过降低飞行高度后，无人机最小飞行地速依然大于目标地速，则无人机以蛇形航迹或盘旋飞行进行目标跟踪飞行。
可选方案中，所述实时获取无人机当地风速风向包括：
根据无人机机载传感器测量无人机地速和速度航向，获得无人机飞行地速矢量
Figure BDA0004006586190000041
根据机载传感器测量无人机真空速和机头航向，获取飞行真空速矢量
Figure BDA0004006586190000042
根据以下公式计算无人机当前高度的风速风向
Figure BDA0004006586190000043
Figure BDA0004006586190000044
可选方案中，基于无人机飞行包线确定最小飞行真空速
Figure BDA0004006586190000045
与最大飞行真空速
Figure BDA0004006586190000046
本发明还提供了一种控制器，用于实现上述的方法。
本发明还提供了一种无人机，包括上述的控制器。
本发明有益效果在于：
本发明采用风速矢量、地速矢量及无人机空速矢量的三角关系作为关键运算式，根据无人机当前飞行状态进行在线风速风向辨识，然后根据目标对象的地速与当前风速风向计算目标真空速，在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速与最大飞行真空速和目标真空速之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。
本发明采用了基于飞行包线的地速自适应策略，通过姿态自适应调节和高度-姿态自适应调节策略，充分利用无人机自身的运动特点和相结合的三维飞行空间特性，拓展了地速自适应控制的飞行范围。
本发明采用了攻角跟踪控制和速度跟踪控制相结合的方法实现飞行指示空速的精确跟踪，能够提高无人机速度跟踪控制的抗扰动能力，同时也提高了无人机速度控制精度和飞行控制的鲁棒性。
本发明采用的地速自适应控制方法适应范围较广，针对长航时无人机，当外界风场环境发生变化时，也可采用上述方法进行地速的自适应控制，或利用风场信息进行高度-姿态的自适应调节实现地速控制。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明一实施例的无人机基于运动状态的地速自适应控制原理框图。
图2示出了本发明一实施例的无人机在任务场景下的高度-姿态适应性调节示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明一实施例提供了一种无人机地速自适应控制方法，参照图1和图2，该方法包括：
实时获取无人机当前高度的风速风向；
根据目标对象的地速
Figure BDA0004006586190000051
与当前风速风向计算无人机的目标真空速
Figure BDA0004006586190000052
在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速
Figure BDA0004006586190000053
与最大飞行真空速
Figure BDA0004006586190000054
和所述目标真空速
Figure BDA0004006586190000055
之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。
具体地，根据无人机机载传感器测量无人机地速和速度航向，获得无人机飞行地速矢量为
Figure BDA0004006586190000061
根据机载传感器测量无人机真空速和机头航向，获取飞行真空速矢量为
Figure BDA0004006586190000062
通过风速与地速、真空速矢量关系式
Figure BDA0004006586190000063
进行当前飞行状态的在线风速风向辨识，给出无人机当地风速风向
Figure BDA0004006586190000064
通过机载雷达或其它传感器测量到目标对象的地速矢量为
Figure BDA0004006586190000065
目标对象的地速矢量同样也为无人机的目标地速
Figure BDA0004006586190000066
根据无人机目标地速与当前风速风向通过公式
Figure BDA0004006586190000067
计算得到无人机目标真空速
Figure BDA0004006586190000068
在当前飞行高度，基于无人机飞行包线确定最小飞行真空速
Figure BDA0004006586190000069
与最大飞行真空速
Figure BDA00040065861900000610
若
Figure BDA00040065861900000611
无人机不改变飞行高度，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；若
Figure BDA00040065861900000612
无人机逐渐爬升飞行高度，再次判断当前高度下
Figure BDA00040065861900000613
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节。爬升飞行高度不能超过无人机最大高度，当无人机爬升至最大高度后真空速依然大于最大飞行速度，则上报指挥控制中心，请求派遣合适的飞行器执行任务。若
Figure BDA00040065861900000614
无人机降低飞行高度，在当前高度下再次判断
Figure BDA00040065861900000615
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节。降低飞行高度不能低于最低安全高度，若无人机通过降低飞行高度后，无人机最小飞行地速依然大于目标对象的地速，则无人机以蛇形航迹或盘旋飞行进行目标跟踪飞行。
本实施例中，采用飞行姿态的自适应调节控制地速包括：
通过机载大气数据系统测量无人机气压高度Hp，并基于大气模型计算得到当地密度ρ，进一步计算无人机目标指示空速Vic，
Figure BDA00040065861900000616
其中ρ0为海平面大气密度，根据所述目标指示空速Vic，计算无人机升力系数Cl，
Figure BDA0004006586190000071
m表示无人机重量，g表示重量加速度，S表示无人机机翼面积，根据无人机升力系数Cl计算无人机目标飞行攻角，并对所述飞行攻角进行配平操作，同时计算无人机的匹配推力，以跟踪所述目标指示空速Vic。通过全机升力系数曲线插值得到无人机目标飞行攻角αc，同时也插值得到无人机阻力系数Cd，根据无人机阻力(需用推力)和推力数据表通过残差收敛的方法迭代计算出无人机配平油门(燃油无人机)或配平转速(用电无人机)。
本实施例中，根据以下公式获得无人机升降舵指令角度
Figure BDA0004006586190000072
进而对所述目标飞行攻角进行配平操作，
Figure BDA0004006586190000073
其中，q为俯仰角速率，Kq为俯仰角速率控制增益，α为无人机飞行攻角(实时测量无人机飞行攻角α)，Kα为攻角控制增益，
Figure BDA0004006586190000074
为攻角积分控制增益，
Figure BDA0004006586190000075
为理论状态升降舵配平角度。
本实施例中，所述计算无人机的匹配推力油门大小δT cmd，以跟踪所述目标指示空速Vic包括：
Figure BDA0004006586190000076
其中，Vi为无人机当前飞行指示空速，KVi为指示空速控制增益，
Figure BDA0004006586190000077
为指示空速积分控制增益，
Figure BDA0004006586190000078
为无人机配平所述推力的油门百分比。
本发明采用风速矢量、地速矢量及无人机空速矢量的三角关系作为关键运算式，根据无人机当前飞行状态进行在线风速风向辨识，然后根据目标对象的地速与当前风速风向计算真空速，在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速与最大飞行真空速和目标真空速之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。
本发明采用了基于飞行包线的地速自适应策略，通过姿态自适应调节和高度-姿态自适应调节策略，充分利用无人机自身的运动特点和相结合的无人机三维飞行空间特性，拓展了地速自适应控制的飞行范围。
本发明采用了攻角跟踪控制和速度跟踪控制相结合的方法实现飞行指示空速的精确跟踪，能够提高无人机速度跟踪控制的抗扰动能力，同时也提高了无人机速度控制精度和飞行控制的鲁棒性。
本发明采用的地速自适应控制方法适应范围较广，针对长航时无人机，当外界风场环境发生变化时，也可采用上述方法进行地速的自适应控制，或利用风场信息进行高度-姿态的自适应调节实现地速控制。
本发明另一实施例还提供了一种控制器，用于实现上述的方法。
本发明再一实施例还还提供了一种无人机，包括上述的控制器。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种无人机地速自适应控制方法，其特征在于，包括：
实时获取无人机当前高度的风速风向；
根据目标对象的地速
Figure FDA0004006586180000011
与当前风速风向计算无人机的目标真空速
Figure FDA0004006586180000012
在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速
Figure FDA0004006586180000013
与最大飞行真空速
Figure FDA0004006586180000014
和所述目标真空速
Figure FDA0004006586180000015
之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。
2.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述确定无人机地速自适应策略包括：
若
Figure FDA0004006586180000016
无人机不改变飞行高度，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；
若
Figure FDA0004006586180000017
无人机爬升飞行高度，再次判断
Figure FDA0004006586180000018
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；
若
Figure FDA0004006586180000019
无人机降低飞行高度，再次判断
Figure FDA00040065861800000110
是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节。
3.根据权利要求2所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述采用飞行姿态的自适应调节控制地速包括：
根据无人机气压高度Hp和大气当地密度ρ，计算无人机目标指示空速Vic，
Figure FDA00040065861800000111
其中ρ0为海平面大气密度，根据所述目标指示空速Vic，计算无人机升力系数Cl，
Figure FDA00040065861800000112
其中，m表示无人机重量，g表示重力加速度，S表示无人机机翼面积，根据无人机升力系数Cl计算无人机目标飞行攻角αc，并对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，同时计算无人机的匹配推力，以跟踪所述目标指示空速Vic。
4.根据权利要求3所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，根据以下公式获得无人机升降舵指令角度
Figure FDA0004006586180000021
进而对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，
Figure FDA0004006586180000022
其中，q为俯仰角速率，Kq为俯仰角速率控制增益，α为无人机飞行攻角，Kα为攻角控制增益，K∫α为攻角积分控制增益，
Figure FDA0004006586180000023
为理论状态升降舵配平角度。
5.根据权利要求3所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述计算无人机的匹配推力油门大小
Figure FDA0004006586180000024
以跟踪所述目标指示空速Vic包括：
Figure FDA0004006586180000025
其中，Vi为无人机当前飞行指示空速，KVi为指示空速控制增益，K∫Vi为指示空速积分控制增益，
Figure FDA0004006586180000026
为无人机配平所述推力的油门百分比。
6.根据权利要求2所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，若无人机通过降低飞行高度后，无人机最小飞行地速依然大于所述目标对象的地速，则无人机以蛇形航迹或盘旋飞行进行目标跟踪飞行。
7.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述实时获取无人机当地风速风向包括：
根据无人机机载传感器测量无人机地速和速度航向，获得无人机飞行地速矢量
Figure FDA0004006586180000027
根据机载传感器测量无人机真空速和机头航向，获取飞行真空速矢量
Figure FDA0004006586180000031
根据以下公式计算无人机当前高度的风速风向
Figure FDA0004006586180000032
Figure FDA0004006586180000033
8.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，基于无人机飞行包线确定最小飞行真空速
Figure FDA0004006586180000034
与最大飞行真空速
Figure FDA0004006586180000035
9.一种控制器，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一项所述的方法。
10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求9所述的控制器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116880198A (zh) * 2023-07-25 2023-10-13 杭州牧星科技有限公司 一种用于超声速无人机的动力装备自适应控制系统及其方法
CN116880198B (zh) * 2023-07-25 2024-03-12 杭州牧星科技有限公司 一种用于超声速无人机的动力装备自适应控制系统及其方法

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