CN104590576A - 一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***及方法，通过激光高度传感器和气压高度计数据融合可获得无人机的精确高度，通过差分GPS可获得无人机和舰载平台的相对位置，机载飞行控制***根据以上信息和无人机期望的飞行轨迹可解算出副翼、升降舵、油门和方向舵的大小，控制无人机按预定轨迹着舰。该控制方案采用激光高度传感器和气压高度计数据融合获取无人机高度，相对于传统的气压高度计测量的高度更加快速、精准；飞行控制律采用带俯仰角负反馈的总能量控制***相对于传统的单输入单输出控制器，高度、速度控制更加精确，相对于无俯仰角负反馈的总能量控制***的优点是可以控制无人机下滑、着舰姿态，保证了无人机的飞行安全。

Description

一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***及方法

技术领域

本发明涉及飞行控制领域,尤其涉及一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***及方法。

背景技术

无人机在航母上成功降落，是一项非常复杂的控制任务。其中，高度和速度的控制是成功着舰的关键。由于航母一直在向前运动，且速度不固定，也就导致无人机的下滑轨迹一直在变化。另外，与路基飞机不同，舰载机在下滑阶段和触舰瞬间油门保持最大，飞行速度较快，高度下降速率也较大，因此，无人机的高度控制必须快速、精准。此外，为保证主起落架先触舰，舰载无人机在下滑阶段需保持俯仰角大于零。

舰载无人机自主着舰过程中的高度控制已成为舰载机自主飞行控制***的核心技术之一。在现有能够查阅的文献中，有的采用高度控制升降舵，空速控制油门，有的采用高度控制油门，空速控制升降舵，有的引入视觉控制，但这些资料都没有综合考虑高度、空速以及飞机俯仰姿态，不能很好得控制舰载无人机自主着舰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及的缺陷，提供一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***，包含机载控制模块和引导模块，其中：

所述引导模块设置在舰上，包含差分GPS基站和舰载无线数传；

所述差分GPS基站用于发送载波相位信息及基站坐标信息发送给差分GPS移动站；

所述机载控制模块设置在无人机上，包含激光高度传感器、差分GPS移动站、自动驾驶仪、和机载无线数传；

所述差分GPS移动站用于接收GPS卫星的载波相位与来自差分GPS基站的信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，提供给自动驾驶仪无人机和舰船的GPS坐标；

所述激光高度传感器用于测量无人机的高度；

所述自动驾驶仪用于根据差分GPS位置信息以及无人机的高度控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行；

所述舰载无线数传和机载无线数传基于无线通信。

作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***进一步的优化方案，所述自动驾驶仪包含轨迹环控制器和姿态环控制器，所述轨迹环控制器用于计算无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角；所述姿态环控制器用于计算无人机的副翼、升降舵大小。

作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***进一步的优化方案，所述差分GPS基站和差分GPS移动站均采用支持载波相位差分技术的高精度差分GPS。

作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***进一步的优化方案，所述舰载无线数传和机载无线数传采用3G数传、433MHz电台、900MHz电台中的一种。

作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***进一步的优化方案，所述激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上。

本发明还公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，包含以下步骤：

步骤A），通过差分GPS获得无人机与舰船的相对位置及舰船的运动速度；

步骤B），计算出无人机的高度；

步骤C），根据无人机与舰船的相对位置、舰船的运动速度以及无人机的高度计算出一条航迹角为-3.5度的下滑轨迹；

步骤D），然后控制无人机按计算出的下滑轨迹下滑着舰。

作为一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法进一步的优化方案，所述步骤B）的具体步骤如下：

步骤B.1），采用激光高度传感器测得无人机的激光高度；

步骤B.2），采用气压高度计测得无人机的气压高度；

步骤B.3），当激光高度大于50m时，采用气压高度作为无人机的高度；

步骤B.4），当激光高度小于等于50m时：

步骤B.4.1），对激光高度数据滤波处理；

步骤B.4.2），计算激光高度的数值变化率；如果该变化率小于等于无人机的最大下滑速率，则以本次采集的激光高度作为无人机的高度；如果该变化率大于无人机的最大下滑速率，则弃用本次采集的激光高度，将采集的气压高度与上一周期采集的气压高度作差得到高度差，然后该高度差与将上一周期无人机的高度相加后作为无人机的高度。

作为一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法进一步的优化方案，所述步骤D）中控制无人机下滑着舰时调整无人机俯仰角的具体步骤如下：

步骤D.1),获得无人机的当前俯仰角；

步骤D.2),将当前俯仰角与预设的着舰角度进行比较：

如果当前俯仰角大于预设的着舰角度，则增大期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度；

如果当前俯仰角小于预设的着舰角度，则减小期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 由于在控制***中使用了激光高度传感器和气压高度计数据融合，相对于单独使用气压高度计精度更高，数据输出速率更快；

2. 由于采用了带俯仰角负反馈的总能量控制算法，使得舰载无人机在下滑阶段高度和速度实现解耦控制，并且在着舰过程中始终保持固定的俯仰角，不需要最后拉平过程，触舰点位置精度更高，触舰姿态也保证了无人机安全；

3. 本发明中舰载无人机高度的计算方法可以增加高度控制精度，确保舰载无人机触舰瞬间主起落架先触舰，有利于舰载无人机机和舰船安全。

本文公开的发明方法经过试飞测试证明效果良好。试飞情况如下：无人机平台选用翼展3m、起飞重量10kg的螺旋桨前拉式常规布局飞机。机载气压高度计、激光测距仪、空速计等必需传感器和自动驾驶仪。地面有一根绳索以固定速度移动，模拟甲板的水平运动。自动驾驶仪的纵向控制采用本文提出的基于俯仰角负反馈的总能量控制***。经多次试飞测试，该小型无人机可精准着陆，且着陆瞬间主起落架先触地，俯仰角大于零，机头螺旋桨未擦地。

附图说明

图1为舰载无人机自主着舰飞行控制***的结构示意图；

图2为控制***软件结构示意图；

图3为原始的总能量控制***结构示意图；

图4为带俯仰角负反馈的总能量控制***结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***，包含机载控制模块和引导模块，其中：

所述引导模块设置在舰上，包含差分GPS基站和舰载无线数传；

所述差分GPS基站用于发送载波相位信息及基站坐标信息发送给差分GPS移动站；

所述机载控制模块设置在无人机上，包含激光高度传感器、差分GPS移动站、自动驾驶仪、和机载无线数传；

所述差分GPS移动站用于接收GPS卫星的载波相位与来自差分GPS基站的信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，提供给自动驾驶仪无人机和舰船的GPS坐标；

所述激光高度传感器用于测量无人机的高度；

所述自动驾驶仪用于根据差分GPS位置信息以及无人机的高度控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行；

所述舰载无线数传和机载无线数传基于无线通信。

所述自动驾驶仪包含轨迹环控制器和姿态环控制器，所述轨迹环控制器用于计算无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角；所述姿态环控制器用于计算无人机的副翼、升降舵大小。

所述差分GPS基站和差分GPS移动站均采用支持载波相位差分技术的高精度差分GPS。

所述舰载无线数传和机载无线数传采用3G数传、433MHz电台、900MHz电台中的一种。

所述激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上。

舰上引导模块包括差分GPS基站、舰载无线数传两部分。差分GPS基站的精确GPS信息通过舰载无线数传发送给机载控制模块。

差分GPS是首选利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给移动站，对差分GPS移动站的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS分三类：位置差分、伪距差分和载波相位差分。其中载波相位差分精度为厘米级，且实时性最好，最适合移动物体的位置测量。因此只要支持载波相位差分技术的高精度差分GPS均可用于本发明。

差分GPS基站将测量到的三维坐标和三个方向的速度通过无线数传发送到机载控制模块，以导引舰载无人机自动着舰。

无线数传就是一种把数据通过无线的形式传送到另一地方的设备。包括3G数传、433MHz电台、900MHz电台等。

机载控制模块的硬件包括自动驾驶仪、激光高度传感器、差分GPS移动站、机载无线数传。

自动驾驶仪安装在舰载无人机上，采集各种传感器数据和差分GPS位置信息，通过计算可获得无人机飞行的舵量大小和油门大小，以控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行。

自动驾驶仪的软件结构分轨迹环控制器和姿态环控制器两大部分，轨迹环控制器的作用是根据无人机当前位置、速度和俯仰姿态与期望的下滑轨迹、速度和俯仰姿态相比，通过计算得出无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角。姿态环控制器的作用是根据上一步计算出的期望俯仰角、滚转角与无人机当前的俯仰角、滚转角相比，通过计算得出无人机的副翼、升降舵大小。

激光高度传感器和超声波测距传感器的原理类似，由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。由于激光波长单一，传播速度极快，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光高度传感器是目前高精度测距最理想的仪器。

差分GPS基站信息通过无线数传将坐标信息发送至机载控制模块。激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上，自稳云台保证激光高度传感器始终朝向地心，而不受飞机姿态影响。

激光高度传感器和超声波测距传感器的原理类似，由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。由于激光波长单一，传播速度极快，测量精度高。但激光高度传感器测量的是光源与反射面之间的距离，当应用在舰载无人机上时，海面剧烈起伏会导致激光高度传感器测量的数值有较大波动，另外，当舰载无人机飞到舰船上方时，由于舰载平台与海面之间存在较大高度差，也会引起测量数值有较大跳动。而气压高度计测量的是传感器外部气压，根据大气压与海拔高度的关系便可以得到气压高度计的海拔高度，海面的起伏不会引起气压高度计变化，但气压高度计易受温度影响，当传感器外部温度变化时，测量的海拔高度会有较大偏差。运用数据融合技术，便可以综合运用激光高度传感器和气压高度计的优点，获得精度较高的高度数据。

本发明还公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，包含以下步骤：

步骤A），通过差分GPS获得无人机与舰船的相对位置及舰船的运动速度；

步骤B），计算出无人机的高度；

步骤C），根据无人机与舰船的相对位置、舰船的运动速度以及无人机的高度计算出一条航迹角为-3.5度的下滑轨迹；

步骤D），然后控制无人机按计算出的下滑轨迹下滑着舰。

所述步骤B）的具体步骤如下：

步骤B.1），采用激光高度传感器测得无人机的激光高度；

步骤B.2），采用气压高度计测得无人机的气压高度；

步骤B.3），当激光高度大于50m时，采用气压高度作为无人机的高度；

步骤B.4），当激光高度小于等于50m时：

步骤B.4.1），对激光高度数据滤波处理；

步骤B.4.2），计算激光高度的数值变化率；如果该变化率小于等于无人机的最大下滑速率，则以本次采集的激光高度作为无人机的高度；如果该变化率大于无人机的最大下滑速率，则弃用本次采集的激光高度，将采集的气压高度与上一周期采集的气压高度作差得到高度差，然后该高度差与将上一周期无人机的高度相加后作为无人机的高度。

当激光高度大于等于50m时，高度数据完全采用气压高度计数据；

当激光高度小于50m时，对激光高度数据滤波处理，如均值滤波、α-β滤波等，并计算激光高度数值变化率，如果变化率超出无人机的最大下滑速率，则认为高度数据等于前一周期无人机的高度与前后两周期的气压高度差值之和。因为气压高度计虽然长周期会产生飘逸，但短周期内测量的高度变化率还是比较准确的。因此本融合方法结合了激光高度传感器可以测量相对高度的优点和气压高度传感器短周期内数据可靠的优点，为无人机自动着舰提供了可靠的高度数据。

控制***的软件结构如图2所示，包括轨迹环控制器和姿态环控制器，其中轨迹环控制器的输入为期望的下滑轨迹，输出为期望的横滚角、俯仰角、油门，反馈信息包括当前的无人机GPS坐标和舰载平台GPS坐标，以及无人机测量到的激光高度、空速；姿态环控制器的输入期望的横滚角、俯仰角和航向，输出为副翼、升降舵和方向舵的大小，反馈信息包括无人机当前的横滚角、俯仰角和航向。

轨迹环控制器的纵向高度、速度控制方法为带俯仰角负反馈的总能量控制***。结构图如附图4所示。

总能量控制***（TECS）是一种通过协调飞机油门和期望俯仰角来控制飞机高度和速度的控制理论。根据理论力学，飞机的总机械能量表达式为：

E_T = GV²/2g + Gh

式中E_T为飞机总机械量，它由飞机的动能和势能两部分组成。为飞机重量，g为重力加速度，V为空速，h为飞行高度，GV²/2g与Gh分别代表飞机的动能和重力势能。飞机的动能与飞机的速度直接相关，重力势能与飞机的高度直接相关，因此可以将速度与高度做两个不同单位物理量转换成***单位的动能和势能。TECS以飞机期望高度与实际高度、期望速度与实际速度作为输入，根据这四个量计算出飞机期望的动能、势能与总能量以及飞机实际的动能、势能与总能量。然后根据飞机期望总能量与实际总能量的偏差计算出期望油门的大小，从而完成飞机总能量的控制；根据飞机的期望动能与实际动能，以及飞机期望势能与实际势能，计算出期望俯仰角的大小，从而完成飞机动能与势能的分配。总能量控制***的结构图如图3所示。

带俯仰角负反馈的总能量控制***即在标准的总能量控制***中引入着舰最佳俯仰角，目的是为了保证飞机以特定的俯仰角着舰。这在舰载无人机自主着舰中是非常关键的，因为舰载无人机触舰瞬间速度较快，起落架所承受的力量巨大，只有主起落架先触舰才能保证无人机的安全，另外，如果前起落架先触舰会导致飞机姿态不正常，极易发生事故，因此必须保证无人机在整个下滑过程中保持俯仰角为正值。

引入俯仰角负反馈的总能量控制***结构图如图4所示。飞机当前的俯仰角与最佳着舰俯仰角的偏差经过PID控制器计算获得期望速度的增量，与初始的期望速度相加作为总能量控制***的输入。假设无人机当前的俯仰角小于最佳着舰俯仰角，PID控制器输出为负值，使得总能量控制***的期望速度减小，计算出的期望油门减小，期望俯仰角增大，最终导致无人机巡航速度减小、迎角增大。当无人机当前俯仰角等于最佳着舰俯仰角时，总能量控制***的期望速度不变，此时达到一个稳定状态，无人机便以当前姿态和速度下滑，最终安全着舰。

Claims (8)

1.一种舰载无人机自主着舰的飞行控制***，其特征在于，包含机载控制模块和引导模块，其中：

所述引导模块设置在舰上，包含差分GPS基站和舰载无线数传；

所述差分GPS基站用于发送载波相位信息及基站坐标信息发送给差分GPS移动站；

所述机载控制模块设置在无人机上，包含激光高度传感器、差分GPS移动站、自动驾驶仪、和机载无线数传；

所述差分GPS移动站用于接收GPS卫星的载波相位与来自差分GPS基站的信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，提供给自动驾驶仪无人机和舰船的GPS坐标；

所述激光高度传感器用于测量无人机的高度；

所述自动驾驶仪用于根据差分GPS位置信息以及无人机的高度控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行；

所述舰载无线数传和机载无线数传基于无线通信。

2.根据权利要求1所述的舰载无人机自主着舰的飞行控制***，其特征在于，所述自动驾驶仪包含轨迹环控制器和姿态环控制器，所述轨迹环控制器用于计算无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角；所述姿态环控制器用于计算无人机的副翼、升降舵大小。

3.根据权利要求1所述的舰载无人机自主着舰的飞行控制***，其特征在于，所述差分GPS基站和差分GPS移动站均采用支持载波相位差分技术的高精度差分GPS。

4.根据权利要求1所述的舰载无人机自主着舰的飞行控制***，其特征在于，所述舰载无线数传和机载无线数传采用3G数传、433MHz电台、900MHz电台中的一种。

5.根据权利要求1所述的舰载无人机自主着舰的飞行控制***，其特征在于，所述激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上。

6.一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A），通过差分GPS获得无人机与舰船的相对位置及舰船的运动速度；

步骤B），计算出无人机的高度；

步骤C），根据无人机与舰船的相对位置、舰船的运动速度以及无人机的高度计算出一条航迹角为-3.5度的下滑轨迹；

步骤D），然后控制无人机按计算出的下滑轨迹下滑着舰。

7.根据权利要求6所述的一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤B）的具体步骤如下：

步骤B.1），采用激光高度传感器测得无人机的激光高度；

步骤B.2），采用气压高度计测得无人机的气压高度；

步骤B.3），当激光高度大于50m时，采用气压高度作为无人机的高度；

步骤B.4），当激光高度小于等于50m时：

步骤B.4.1），对激光高度数据滤波处理；

步骤B.4.2），计算激光高度的数值变化率；如果该变化率小于等于无人机的最大下滑速率，则以本次采集的激光高度作为无人机的高度；如果该变化率大于无人机的最大下滑速率，则弃用本次采集的激光高度，将采集的气压高度与上一周期采集的气压高度作差得到高度差，然后该高度差与将上一周期无人机的高度相加后作为无人机的高度。

8.根据权利要求6所述的一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，其特征在于所述步骤D）中，控制无人机下滑着舰时调整无人机俯仰角的具体步骤如下：

步骤D.1) ，获得无人机的当前俯仰角；

步骤D.2) ，将当前俯仰角与预设的着舰角度进行比较：

如果当前俯仰角大于预设的着舰角度，则增大期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度；

如果当前俯仰角小于预设的着舰角度，则减小期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度。