CN117389320B - 一种无人机巡航控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种无人机巡航控制方法及系统，属于无人机技术领域，其方法包括根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值控制无人机的转向姿态；根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值，通过俯仰角预规划值控制无人机的俯仰姿态；根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率，通过无人机的油门开合率控制油门舵的开度；根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。本发明对无人机的自动巡航进行控制，提高了无人机的巡航周期和巡航姿态调整的智能性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，涉及的无人机巡航技术，具体为一种无人机巡航控制方法及系统。
背景技术
无人机是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器，与有人驾驶飞机相比，无人机往往更适合危险的环境以及有人驾驶飞机难以执行的任务。随着无人机操控技术的进步，以及其结构不断向轻量化、小型化发展，无人机的应用领域已逐渐由军用侦察机和靶机转向民用。在民用领域，由于无人机结构简单、稳定性高、机动性强、适应环境能力强等特点，广泛应用于巡检、中继、气象、物流等相关领域。此外无人机还可以搭配高速相机、热成像仪等专业设备用于各种信息的侦测。目前，随着无人机技术的发展，其操控系统中的巡航中继设备无人机之间采用中长距离通信方式进行通讯，实现无人机巡航、图像采集、空中作业等功能，参见申请号为2021229452337的专利文献，其公开了一种无人机摄像系统及无人机，无人机摄像系统包括摄像机，摄像机上设置有MIPI CSI-2输出接口，无人机摄像系统还包括电路组件，电路组件包括基板和中继器。其中，基板上设置有输入接口， 与MIPI CSI-2输出接口信号连接。中继器设置在基板上，且中继器与输入接口连接，中继器还用于连接两个以上的处理器。本申请实施例提供的无人机摄像系统及无人机中，摄像机采集的视频信号通过中继器传输到处理器，中继器起到中继和桥接作用，能够对视频信号进行完整的保护。该专利文件是通过中继器进行通讯，实现图像数据的传输。
在无人机飞行过程中，操控系统中的巡航中继设备还能够根据无人机的飞行参数预测飞控状态，提前通知操作者调整飞行状态，以避免无人机失控。然而相关技术中，通常使用飞控参数传感器采集无人机飞行状态参数，并反馈给操作者端，操作者再根据上述飞行状态参数确定应当如何进行控制，而中远距离的无人机通常需要借助中继设备，当进行中继设备切换时，由于反馈飞行状态参数存在时延，存在操作者尚未做出反应时，无人机就因为超出当前中继设备通信距离从而失控的状态，造成无人机损毁和财产损失。
发明内容
针对上述所述的，现有的无人机在进行中远距离通讯时需要借助中继设备，中继设备在切换时，由于反馈飞行状态参数存在延时，存在操作者尚未做出反应时，无人机就因为超出当前中继设备通信距离从而失控的状态，造成无人机损毁和财产损失的技术问题。本申请提出了一种无人机巡航控制方法及系统。
本发明的一种无人机巡航控制方法及系统，能够高效的执行和调整无人机的航线、空速、高度、滚转角以及俯仰角，以实现对无人机的自动巡航控制，使得无人机的精密化程度更高，提高了无人机的巡航周期调整的智能性。
本发明的技术方案如下：
一种无人机巡航控制方法，包括以下步骤：
根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。
进一步限定，所述根据滚转角预规划值控制无人机的转向姿态具体为：
根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>，根据无人机的滚转角调节值/>和无人机的航向偏差/>控制无人机的转向姿态。
进一步限定，所述根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值的计算模型为：
式中，为滚转角预规划值，单位：度；/>为制导律增率，单位：km2/度；/>为控制输入量，单位：度；/>为无人机与目标物之间的相对距离，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；R为期望距离，单位：km；/>为航路制导控制系数，单位：度/km。
进一步限定，所述根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的滚转角调节值，单位：度；/>为无人机偏航角控制效率因子，无量纲；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机滚转角控制效率因子，无量纲；/>为无人机滚转角侧偏纠正值，单位：度；/>为滚转角预规划值，单位：度；/>为无人机滚转角侧偏控制效率因子，无量纲；/>为当前预设航线飞行时间，单位：小时。
进一步限定，所述无人机的航向偏差的计算模型为：
式中，为无人机的航向偏差，单位：度；/>为无人机飞行弧度，单位：rad；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机的侧偏差，单位：km。
进一步限定，所述通过俯仰角预规划值控制无人机的俯仰姿态具体为：
根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>，通过无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>控制无人机的俯仰姿态。
进一步限定，所述根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角预规划值，单位：度；/>为无人机预设高度，单位：km；/>为无人机当前高度，单位：km。
进一步限定，所述根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角调节值，单位：度；/>为爬升阶段俯仰角调节系数，无量纲；/>为控制回路俯仰角规划值，单位：度；/>为俯仰角给定值，单位：度；/>为下滑阶段俯仰角调节系数，无量纲；t为下滑时间，单位：小时；/>为平飞阶段俯仰角调节系数，无量纲；q为俯仰角变化速率，单位：度/小时；/>为无人机的俯仰角预规划值，单位：度。
进一步限定，所述根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>的计算模型为：
式中，为无人机的油门开合率，无量纲；/>为爬升调节系数，无量纲；/>为无人机预设高度，单位：km；/>为无人机当前高度，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；/>为无人机预设空速，单位：km/h；/>为下滑调节系数，无量纲；Alt为无人机下滑高度，单位：km；/>为平飞调节系数，无量纲；/>为无人机初始状态调节空速，单位：km/h。
一种无人机巡航控制系统，包括：
航路制导控制器：用于根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
高度控制器：用于根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
空速控制器：用于根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
以及巡航航线控制模块：用于根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明一种无人机巡航控制方法，其通过控制无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及无人机的油门舵开度对无人机的巡航姿态进行控制，实现高效的执行和调整无人机的航线、空速、高度、滚转角以及俯仰角，以对无人机的自动巡航姿态进行控制，使得无人机的精密化程度更高，提高了无人机的巡航周期以及巡航姿态调整的智能性和安全性。解决了现有的无人机因为超出当前中继设备通信距离从而失控的技术问题，确保无人机飞行的安全性。
2、本发明的航路制导控制器通过滚转角预规划值计算滚转角调节值和无人机的航向偏差；通过滚转角调节值和无人机的航向偏差，在无人机滑跑时控制无人机的前轮和方向舵实现滑行纠偏，在无人机空中飞行时控制方向舵增强无人机航向稳定性，确保无人机沿预设航线飞行。
3、本发明的俯仰角控制器通过俯仰角预规划值计算无人机的俯仰角给定值和无人机的俯仰角调节值，通过无人机的俯仰角给定值和无人机的俯仰角调节值实现无人机固定俯仰角的爬升和下滑，同时将无人机的俯仰角预规划值加入控制回路以实现无人机的高度保持。
4、本发明的空速控制器通过无人机的油门开合率控制油门舵的开度，实现油门舵的调节，以保持无人机的空速稳定。
5、本发明的无人机频分控制器作为一个整体，用于输入无人机的状态信息和制导信息以及输出各个回路控制器的控制量，便于回路控制器的修改和移植。如果需要使用新的回路控制器替代已有的回路控制器，只需要通过参数调节来修改回路控制器模块。这种快速设计、快速验证的开发方式可以大大缩短无人机巡航姿态控制的开发周期。
附图说明
图1为本发明无人机巡航控制方法的过程示意图；
图2为本发明无人机巡航控制系统的示意图；
图3为本发明无人机巡航控制系统的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。
实施例1
参见图1，本实施例一种无人机巡航控制方法，其包括以下步骤：
S1：根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
具体的，根据滚转角预规划值控制无人机的转向姿态为：
根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>，根据无人机的滚转角调节值/>和无人机的航向偏差/>控制无人机的转向姿态。
进一步具体的，根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值的计算模型为：
式中，为滚转角预规划值，单位：度；/>为制导律增率，单位：km2/度；/>为控制输入量，单位：度；/>为无人机与目标物之间的相对距离，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；R为期望距离，单位：km；/>为航路制导控制系数，单位：度/km，初始值为1。需要说明的是，/>是基于无人机预设航点和无人机当前航点确定的，通过无人机当前航点确定无人机的当前位置（x1，y1），根据无人机预设航点确定目标物的位置（x2，y2），根据计算确定无人机与目标物之间的相对距离。参见表1，为滚转角预规划值、无人机滚转角侧偏纠正值与控制输入量的关系，确定控制输入量的取值。
表1：滚转角预规划值、无人机滚转角侧偏纠正值与控制输入量的关系
进一步具体的，根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的滚转角调节值，单位：度；/>无人机偏航角控制效率因子，无量纲，初始值取1；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机滚转角控制效率因子，无量纲，初始值取1；/>为无人机滚转角侧偏纠正值，单位：度；/>为滚转角预规划值，单位：度；/>为无人机滚转角侧偏控制效率因子，无量纲，初始值取1；/>为当前预设航线飞行时间，单位：小时。
无人机偏航角控制效率因子取值：核心是滚转角预规划值和当前滚转角值的差异，差异越大，无人机偏航角控制效率因子取值越接近1，具体取值参见表2。
无人机滚转角控制效率因子：核心是滚转角预规划值和当前滚转角值的差异，差异越大，差异越大，无人机滚转角控制效率因子取值越接近1，具体取值参见表3。
无人机滚转角侧偏控制效率因子：核心是滚转角预规划值和当前滚转角值的差异，差异越大，差异越大，无人机滚转角侧偏控制效率因子取值越接近1，具体取值参见表4。
表2：滚转角预规划值、无人机偏航角与无人机偏航角控制效率因子的关系
表3：滚转角预规划值、无人机滚转角侧偏与无人机滚转角侧偏控制效率因子的关系
表4：滚转角预规划值、无人机滚转角侧偏纠正值与无人机滚转角控制效率因子的关系
进一步具体的，无人机的航向偏差的计算模型为：
式中，为无人机的航向偏差，单位：度；/>为无人机飞行弧度，单位：rad；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机的侧偏差，单位：km，初始值为0。
S2：根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
具体的，通过俯仰角预规划值控制无人机的俯仰姿态为：
根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>，通过无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>控制无人机的俯仰姿态。
进一步具体的，根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角预规划值，单位：度；/>为无人机预设高度，单位：km；/>为无人机当前高度，单位：km。
进一步具体的，根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角调节值，单位：度；/>为爬升阶段俯仰角调节系数，无量纲；/>为控制回路俯仰角规划值，单位：度；/>为俯仰角给定值，单位：度；/>为下滑阶段俯仰角调节系数，无量纲；t为下滑时间，单位：小时；/>为平飞阶段俯仰角调节系数，无量纲；q为俯仰角变化速率，单位：度/小时；/>为无人机的俯仰角预规划值，单位：度。
（备注：四舍五入取整）；/>（备注：四舍五入取整）；当/>，/>取0.5；当/>，/>取1，/>为无人机平飞距离，单位：km；Alt为无人机下滑高度，单位：km。
S3：根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
具体的，根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>的计算模型为：
式中，为无人机的油门开合率，无量纲；/>为爬升调节系数，无量纲；/>为无人机预设高度，单位：km；/>为无人机当前高度，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；/>为无人机预设空速，单位：km/h；/>为下滑调节系数，无量纲；Alt为无人机下滑高度，单位：km；/>为平飞调节系数，无量纲；/>为无人机初始状态调节空速，单位：km/h。
；/>；当/>，/>取1， 当/>，/>取0.5；为无人机平飞距离，单位：km。
S4：根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。
需要说明的是，上述步骤S1、步骤S2、步骤S3是并列的步骤，不用于区分先后顺序，仅仅是为了标识不同的控制量。
参见图3，本实施例的无人机巡航控制系统的组成结构包括航路制导控制器、高度控制器、滚转角控制器、空速控制器、俯仰角控制器以及无人机频分控制器，其中，巡航航线控制模块是由无人机频分控制器以及回路控制器。
其中，航路制导控制器只包含滚转角变化这一个目标状态信息，且该数据易通过滚转角控制器进行调节，故本发明设计的航路制导控制实现较为简单，效率也更高。航路制导控制器的原理是通过分析无人机的预设航点、当前航点、无人机当前速度，依据实际飞行状态选择制导律增率、控制输入量获取滚转角预规划值。例如：当无人机速度（180km/h）较快时，制导增率/>越小（0.1）。控制输入量/>主要是调节作用，用于依据实际飞行状态减小控制输入量时的误差，提升输出准确度。滑跑时通过控制无人机的前轮和方向舵实现滑行纠偏，空中时通过方向舵增强无人机航向稳定性。
滚转角控制器是通过滚转角预规划值，结合/>、P和/>，输出/>、/>和/>，/>为滚转角侧偏纠正值、P为偏航角、/>无人机飞行弧度、/>航向偏差和/>侧偏差、/>偏航角控制效率因子、/>滚转角控制效率因子、/>滚转角侧偏控制效率因子。/>为当前预设航线飞行时间。
高度控制器主要通过影响无人机的空速及俯仰角来调节无人机的高度，在获取到无人机预设高度后，依据无人机当前高度/>，输出俯仰角预规划值/>。
俯仰角控制器主要通过接收俯仰角预规划值，控制升降舵来保持无人机俯仰角稳定，通过控制俯仰角来稳定和控制无人机姿态。
空速控制器主要通过控制油门舵来保持无人机的空速稳定，油门舵控制的目的是实现无人机以指定空速飞行。
无人机频分控制器：作为整个系统的整体，用于输入无人机状态和制导信息（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息）并输出各个控制量（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息），便于回路控制器的修改和移植。
回路控制器用于执行各控制量（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息）。
实施例2
参见图2，本实施例一种无人机巡航控制系统，其是基于实施例1的无人机巡航控制方法所形成的，包括：
航路制导控制器：用于根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
高度控制器：用于根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；/>
空速控制器：用于根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
以及巡航航线控制模块：用于根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。
具体的，参见图3，本实施例无人机巡航控制系统的组成结构包括航路制导控制器、高度控制器、滚转角控制器、空速控制器、俯仰角控制器以及无人机频分控制器，其中，巡航航线控制模块是由无人机频分控制器以及回路控制器。
航路制导控制器用于接收给定的无人机预设航点（无人机预设航点也称无人机给定航点），根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
空速控制器用于接收给定的无人机预设空速（无人机预设空速也称无人机给定空速），根据无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率控制油门舵的开度；
俯仰角控制器用于接收给定的无人机预设高度（无人机预设高度也称无人机给定高度），根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
无人机频分控制器：作为整个系统的整体，用于输入无人机状态和制导信息（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息）并输出各个控制量（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息），便于回路控制器的修改和移植。
回路控制器用于执行各控制量（无人机的转向姿态信息、无人机的俯仰姿态信息以及油门舵的开度信息）。
上述实施例中给定的无人机预设高度、无人机预设航点以及给定的无人机预设空速均是用户给定的。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种无人机巡航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制；
所述根据滚转角预规划值控制无人机的转向姿态具体为：
根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>，根据无人机的滚转角调节值和无人机的航向偏差/>控制无人机的转向姿态；
所述根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值的计算模型为：
式中，为滚转角预规划值，单位：度；/>为制导律增率，单位：km2/度；/>为控制输入量，单位：度；/>为无人机与目标物之间的相对距离，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；R为期望距离，单位：km；/>为航路制导控制系数，单位：度/km；
根据滚转角预规划值确定无人机的滚转角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的滚转角调节值，单位：度；/>为无人机偏航角控制效率因子，无量纲；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机滚转角控制效率因子，无量纲；/>为无人机滚转角侧偏纠正值，单位：度；/>为滚转角预规划值，单位：度；/>为无人机滚转角侧偏控制效率因子，无量纲；/>为当前预设航线飞行时间，单位：小时；
所述无人机的航向偏差的计算模型为：
式中，为无人机的航向偏差，单位：度；/>为无人机飞行弧度，单位：rad；P为无人机偏航角，单位：度；/>为无人机的侧偏差，单位：km；
所述通过俯仰角预规划值控制无人机的俯仰姿态具体为：
根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>，通过无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>控制无人机的俯仰姿态；
所述根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角预规划值，单位：度；/>为无人机预设高度，单位：km；为无人机当前高度，单位：km；
所述根据俯仰角预规划值确定无人机的俯仰角给定值/>和无人机的俯仰角调节值/>的计算模型为：
式中，为无人机的俯仰角调节值，单位：度；/>为爬升阶段俯仰角调节系数，无量纲；为控制回路俯仰角规划值，单位：度；/>为俯仰角给定值，单位：度；/>为下滑阶段俯仰角调节系数，无量纲；t为下滑时间，单位：小时；/>为平飞阶段俯仰角调节系数，无量纲；q为俯仰角变化速率，单位：度/小时；/>为无人机的俯仰角预规划值，单位：度；
所述根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>的计算模型为：
式中，为无人机的油门开合率，无量纲；/>为爬升调节系数，无量纲；/>为无人机预设高度，单位：km；/>为无人机当前高度，单位：km；/>为无人机当前速度，单位：km/h；为无人机预设空速，单位：km/h；/>为下滑调节系数，无量纲；Alt为无人机下滑高度，单位：km；/>为平飞调节系数，无量纲；/>为无人机初始状态调节空速，单位：km/h。
2.一种用于实现权利要求1所述的无人机巡航控制方法的控制系统，其特征在于，包括：
航路制导控制器：用于根据无人机预设航点、无人机当前航点和无人机当前速度确定滚转角预规划值，并根据滚转角预规划值/>控制无人机的转向姿态；
高度控制器：用于根据给定的无人机预设高度确定无人机的俯仰角预规划值/>，通过俯仰角预规划值/>控制无人机的俯仰姿态；
空速控制器：用于根据给定的无人机预设空速确定无人机的油门开合率/>，通过无人机的油门开合率/>控制油门舵的开度；
以及巡航航线控制模块：用于根据无人机的转向姿态、无人机的俯仰姿态以及油门舵的开度对无人机的巡航姿态进行控制。
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2023
- 2023-12-07 CN CN202311666782.8A patent/CN117389320B/zh active Active
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