CN100541372C - 一种无人机发动机意外停车下的自动归航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机发动机意外停车下的自动归航控制方法，该方法包括归航航线确定和自动归航控制两个步骤。根据已知的迫降场位置信息，在迫降场期望的着陆方向上，选取两个点作为航点，这两个点的经度和纬度即为航点的经度和纬度，这两个航点所确定的航线即为归航航线；自动归航控制是通过对升降舵舵机、副翼舵机的控制实现的；升降舵舵机采用空速控制，副翼舵机采用侧偏距控制；运用本发明进行自动归航控制，可以不受天气、天候以及目视距离等客观条件的影响，在发动机意外停车的情况下，使得飞机能够沿着归航航线以最佳滑翔速度向迫降场滑翔飞行，获得实现无动力着陆的机会，使无人机自动归航，从而减小损失。

Description

一种无人机发动机意外停车下的自动归航控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人机发动机意外停车下的自动归航控制方法，属于无人机自动飞行控制领域。

背景技术

飞机发动机是一个集机械、电气、液压技术为一体，利用热力学原理产生推进力的复杂***。发动机是飞机获取推力的来源，一旦发动机意外停车，飞机会马上失去动力。美国全球鹰无人机在一次试飞试验过程中，就曾因为发动机故障而坠毁，损失惨重。

滑翔机是一种无动力的轻型飞机，在空中用来克服气动阻力的前进动力是借助位能(或高度)的转换，它可以像常规飞机那样着陆。通常，把滑翔经过的地面距离与高度损失比称为滑翔比，也是升阻比。比如一架高性能有人驾驶滑翔机的滑翔比约为40，即高度每损失100m，可以滑翔飞行4km。当气动阻力最小的时候，飞机的滑翔最为平坦，这时的滑翔速度就是最佳滑翔速度，对应的滑翔比称为最佳滑翔比，即在无动力的情况下，如果飞机以最佳滑翔速度滑翔，那么飞机可以获得最大的滑翔距离。

如果在无人机的发动机停车后，利用该无人机的滑翔性能，通过自主控制使飞机能够像滑翔机那样滑翔飞行，那么就可以减少很多损失了。

目前国内无人机技术的发展非常迅速，自动化、智能化是无人机发展的一个新方向，如果能够充分利用这种自主型无人机的优势，预先设计一条归航航线，在发动机停车的情况下，自动调节各个操纵舵面，对其实施适当的控制，那么就可以使得飞机在无动力的情况下尽可能保持最佳的滑翔速度，沿着预先设计的归航航线滑翔，以获得最大滑翔距离，到达迫降场附近，获得无动力着陆的机会。而目前该领域技术非常欠缺。

发明内容

本发明提供一种应用于无人机的自动归航控制方法，在发动机停车的情况下，可以不受天气、天候、目视距离等条件的限制，通过对升降舵舵机、副翼舵机的协调控制，使得飞机能够自动沿着归航航线以最佳滑翔速度向迫降场滑翔飞行，获得实现无动力着陆的机会，从而减小损失。

为达到此目的，本发明的构思是：

第一，设计归航航线，该航线位于迫降场中心区域，这样可以使无人机在发动机意外停车时沿着这条归航航线向迫降场飞行；其中，迫降场是指由于出现意外情况，飞机不能到达预定机场着陆，而在中途紧急着陆的区域。迫降场通常是在飞机起飞前指定好的固定地点，也可以根据具体情况的紧急程度临时改变。迫降场的选定与飞机类型有关，不同的飞机迫降场不一样。一般而言，大型飞机需要的迫降场区域要比较大，小型飞机需要的迫降场区域可以小一些。

第二，充分利用飞机的滑翔性能，当发动机停车时使飞机以最佳滑翔速度飞行，获得最佳滑翔比，当飞机在远离迫降场时能够尽量飞回到迫降场。

根据以上构思，本发明提供的归航控制方法包括以下两个步骤：

步骤一：归航航线确定；

根据已知的迫降场位置信息，在该迫降场期望的着陆方向上，分别选取两个点作为航点，这两个点的经度和纬度即为航点的经度和纬度，这两个航点所确定的航线即为归航航线；选取的两个航点，应使得这两个航点所确定的归航航线位于迫降场的中心区域。

步骤二：自动归航控制；

对升降舵舵机采用空速控制，副翼舵机采用侧偏距控制。

本发明的优点在于：

(1)运用本方法进行自动归航控制，可以使无人机在发动机意外停车的情况下，自动沿着归航航线向迫降场飞行，获得无动力着陆的机会，从而减小损失；

(2)运用本方法进行自动归航控制，可以不受天气(晴天、雨天、雾天等)、天候(白天、黑夜)以及目视距离等客观条件的影响，使无人机自动归航；

(3)运用本方法进行自动归航控制，可以不受飞行操纵手自身心里素质、操纵习惯等人为因素的影响，使无人机根据预先设计的最佳控制方案自动归航。

附图说明

图1为本发明所述发动机停车下的自动归航控制方法的示意框图；

图2为本发明所述发动机停车下的自动归航控制方法中归航航线确定的示意图；

图3为本发明所述发动机停车下的自动归航控制方法中升降舵的控制框图；

图4为本发明所述发动机停车下的自动归航控制方法中副翼的控制框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明所述自动归航控制方法的示意框图。如图1所示，首先根据迫降场的位置信息，确定归航航线。利用归航航线信息、最佳滑翔速度，根据无人机的侧偏距及空速信息，分别对升降舵舵机2、副翼舵机6采用空速控制、侧偏距控制，从而实现自动归航控制。

以下为本发明应用的一个实施例：

步骤一：确定归航航线；

根据已知迫降场的位置信息，在该迫降场期望的着陆方向上，分别选取两个点作为航点，使得这两个航点所确定的归航航线位于迫降场的中心区域；其中，迫降场期望的着陆方向与迫降场的形状有关，应取其长度最长的方向作为着陆方向。

图2是发动机停车下的自动归航控制方法中归航航线确定的示意图。如图2所示，某迫降场为不规则形状，取其长度最长的方向作为迫降场期望的着陆方向，在该着陆方向上取两个点A、B，使得A、B两点确定的归航航线位于迫降场的中心区域，这样可以使得飞机尽量向迫降场中心降落。

步骤二：自动归航控制；

进行自动归航控制，是对升降舵舵机2采用空速控制，副翼舵机6采用侧偏距控制。其中，空速是指飞机相对于空中气流的飞行速度，是地速与风速的矢量和，一般由大气数据计算机测量得到；侧偏距是指飞机偏离归航航线的侧向垂直距离，一般由导航装置测量得到。

图3为本发明所述发动机停车下的归航控制方法中升降舵的控制框图，其基本控制过程为：将最佳滑翔速度与无人机的一个空速测量装置4所测得的空速的实际值进行比较，得到误差e，其中空速测量装置4通常是大气数据计算机；由空速控制算法1算得控制量，升降舵舵机2根据该控制量进行相应调整，从而控制无人机运动学环节3，如此循环，其中空速控制算法1的具体控制规律如式(1)所示：

${\mathrm{\δ}}_z=K_{\mathrm{vp}}(V_h-V_k)+K_{\mathrm{vI}}{\∫}_0^t(V_h-V_k)\mathrm{dt}+K_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z---\left(1\right)$

式(1)中，δ_z为升降舵舵机2的调整量，V_h为最佳滑翔速度，V_k为空速，θ为俯仰角，ω_z为俯仰角速率，K_vp为空速控制比例参数，K_vI为空速控制积分参数，K_θ为θ的控制参数，

为ω_z的控制参数；测量空速的装置通常是大气数据计算机，测量ω_z的装置通常是角速率陀螺，测量θ的装置通常是导航装置或垂直陀螺。

图4为本发明所述发动机停车下的归航控制方法中副翼的控制框图，其基本控制过程为：将无人机的另一种侧偏距测量装置7所测得的侧偏距实际值与0进行比较，得到误差e’，其中侧偏距测量装置7通常是导航装置；由侧偏距控制算法5算得控制量，副翼舵机6根据该控制量进行相应调整，从而控制无人机运动学环节3，如此循环，其中侧偏距控制算法5的具体控制规律如式(2)所示：

${\mathrm{\δ}}_x=K_{S_g}{S}_g+K_{{\stackrel{\·}{S}}_g}{\stackrel{\·}{S}}_g+K_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\γ}---\left(2\right)$

式(2)中，δ_x为副翼舵机6的调整量，S_g为侧偏距，

为侧偏移速度，γ为滚转角，

为S_g的控制参数，

为

的控制参数，K_γ为γ的控制参数；测量S_g和

的装置通常是导航装置，测量γ的装置通常是导航装置或垂直陀螺。

在自动归航控制过程中，虽然飞机已经没有动力，但是通过对升降舵舵机2和副翼舵机6的协调控制，使得飞机尽量以最佳滑翔速度沿着归航航线向迫降场滑翔飞行，获得无动力着陆的机会。

如：某无人机的飞行控制***及其飞行模拟训练***都应用了本发明方法，该无人机的最佳滑翔比约为12～14，迫降场为起降机场，因此选取其跑道中心线上两点作为归航航线的两个航点，即归航航线与跑道中心线重合。为了验证该方法，在该无人机的一次飞行模拟训练中，三个飞行操纵手进行了发动机停车下的最大滑翔距离飞行测试，条件是：在无风情况下，无人机自主起飞爬升到300m时发动机停车，飞行操控手遥控飞机滑翔回到迫降场；在相同条件下，也进行了应用本方法自动归航控制下的自主滑翔飞行。表1是操纵手遥控与自主飞行控制下无人机多次滑翔的最大滑翔距离及滑翔比。需要说明的是，三个飞行操纵手都是在遥控飞行方面具有多年经验丰富、训练有素的高级技术人员，参加过多次遥控飞行表演，同时承担了多个项目的飞行操纵任务。

表1  最大滑翔距离及滑翔比

飞行控制	最远滑翔距离	滑翔比
			飞行操纵手1遥控操纵	2317m	7.7
飞行操纵手2遥控操纵	2135m	7.1
			飞行操纵手3遥控操纵	2532m	8.4
自动归航控制下的自主飞行控制	3425m	11.4

由表1可知，遥控飞行技术熟练的飞行操纵手，受到目视距离、外界环境干扰、心里素质、自身操纵***稳的姿态自动滑翔飞行到迫降场。

本发明已经应用于某无人机飞行控制***及其飞行模拟训练***中，效果良好。

Claims (2)

1、一种无人机发动机停车下的自动归航控制方法，主要应用于在发动机意外停车的情况，其特征在于，该方法包括如下两个步骤：

步骤一：归航航线确定；

根据已知的迫降场位置信息，在该迫降场期望的着陆方向上，选取两个点作为航点，这两个点的经度和纬度即为航点的经度和纬度，这两个航点所确定的航线即为归航航线；其中，确定的归航航线位于迫降场的中心区域；

步骤二：自动归航控制；

自动归航控制是通过对升降舵舵机、副翼舵机的控制实现的；升降舵舵机采用空速控制，副翼舵机采用侧偏距控制；

空速控制主要通过调整升降舵舵机进行控制，其基本控制过程为：

a)将无人机的空速测量装置(4)所测得的实际空速与最佳滑翔速度进行比较，得到误差e；

b)通过空速控制算法(1)计算出升降舵舵机的调整量；

c)根据计算出的调整量不断调整升降舵舵机，继而控制无人机动力学环节(3)；

d)无人机的空速测量装置(4)将测量的实际空速反馈回去，与最佳滑翔速度再次进行比较，如此循环；

空速控制算法(1)实现的控制算法具体是： ${\mathrm{\δ}}_z=K_{\mathrm{vp}}(V_h-V_k)+K_{\mathrm{vI}}{\∫}_0^t(V_h-V_k)\mathrm{dt}+K_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}+K_{{\mathrm{\ω}}_z}{\mathrm{\ω}}_z,$ 其中，δ_z为升降舵舵机的调整量，V_g为设置的最佳滑翔速度，V_k为空速，θ为俯仰角，ω_z为俯仰角速率，K_vp为空速控制比例参数，K_vI为空速控制积分参数，K_θ为θ的控制参数，

为ω_z的控制参数；

侧偏距控制主要通过调整副翼舵机进行控制，其基本控制过程为：

a)将无人机的侧偏距测量装置(7)所测得的实际侧偏距与0进行比较，得到误差e’；

b)通过侧偏距控制算法(5)计算出副翼舵机的调整量；

c)根据计算出的调整量不断调整副翼舵机，继而控制无人机动力学环节(3)；

d)无人机的侧偏距测量装置(7)将测量的侧偏距反馈回去，与0再次进行比较，如此循环；

侧偏距控制算法(5)实现的控制算法具体是： ${\mathrm{\δ}}_x=K_{S_g}{S}_g+K_{{\stackrel{\·}{S}}_g}{\stackrel{\·}{S}}_g+K_{\mathrm{\γ}}\mathrm{\γ},$ 其中，δ_x为副翼舵机的调整量，S_g为侧偏距，

为侧偏移速度，γ为滚转角，

为S_g的控制参数，

为的控制参数，K_γ为γ的控制参数。

2、根据权利要求1所述的一种无人机发动机停车下的自动归航控制方法，其特征在于：步骤一所述的迫降场期望的着陆方向与迫降场的形状有关，取迫降场长度最长的方向作为着陆方向。

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