CN107515617A - 一种固定翼无人机航线平滑切换控制方法 - Google Patents

一种固定翼无人机航线平滑切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，采用“直线‑圆形‑直线”的切换方式来控制航线切换，其中引导无人机从源航程点飞往目标航程点为直线方式，引导无人机从目标航程点飞往目标航程点下一航点为直线，两个航线之间过渡采用圆盘旋控制方式，使得两条航线之间的切换过程自然，平滑，避免无人机因调整位置而浪费飞行时间，提高有效任务时间。

Description

一种固定翼无人机航线平滑切换控制方法
技术领域
本发明涉及无人机领域，更具体地说，是指一种固定翼无人机航线平滑切换的控制方法。
背景技术
无人机在空中的飞行是依照预定的航线进行，而航线一般是由多个利用线段连接起来的航点组成，飞行过程中，无人机依照航点顺序进行切换，从而实现预定轨迹飞行。
现有的航点切换方式为无人机飞至该点上空后，再将目标点切换为下一航点，由于固定翼无人机转弯半径的限制，这种方式会出现航迹震荡，其轨迹形状见附图1。该方法会增加无人机调整姿态的时间，并缩短无人机可执行任务的时长。
还有一种切换航点的方法，它是在无人机到达目标航点之前，给定固定的副翼控制量，控制无人机进行盘旋，之后再将航点切换为下一航点。该方法的缺点是飞行中两条航线衔接过渡不平滑，并且容易受到侧风干扰，影响任务的执行精度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，实现无人机航点切换过程的平滑、快速，缩短飞机调整姿态的时间，增加无人机执行任务的有效时长，并能在侧风干扰的情况下保证无人机按期望的航迹进行飞行。
技术方案
一种固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获得固定翼无人机当前飞行的航线段中的源航程点纬度、经度坐标(Bs,Ls)，目标航程点纬度、经度坐标(Bt,Lt)及目标航程点下一航点纬度、经度坐标(Bn,Ln)，并根据卫星定位结果获得无人机的纬度、经度坐标(Bu,Lu)；
步骤2：根据高斯坐标转换公式，将步骤1中的四个位置坐标依次转换为直角坐标(Xs,Ys)，(Xt,Yt)，(Xn,Yn)，(Xu,Yu)；由前三点位置，依据以下公式计算源航程点指向目标航程点的方位角θ1：
若(Yt-Ys)≥0
若(Yt-Ys)＜0
同理计算目标航程点下一航点指向目标航程点的方位角θ2以及目标航程点指向目标航程点下一航点的方位角θ3：
若(Yt-Yn)≥0
若(Yt-Yn)＜0
若(Yn-Yt)≥0
若(Yn-Yt)＜0
步骤3：由步骤2中计算出的θ1和θ2，根据以下公式确定两条航线之间的夹角θ：
根据以下坐标转换公式，确定两条航线的过渡方向：
D＝(Ys-Yt)·cos(θ3)-(Xs-Xt)·sin(θ3)
根据以下公式，计算出虚拟的过渡盘旋中心点位置(Xv,Yv)：
Xv＝Xt+cos(θl)·L
Yv＝Yt+sin(θl)·L
若
若
其中，R为无人机的最小盘旋半径，该数值可以在无人机性能手册上查到；若θ＜10，则不再利用上面的公式进行计算，而直接将目标航程点设为虚拟的过渡盘旋中心点位置；
步骤4：引导无人机从源航程点飞往目标航程点：无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Yu-Yt)·cos(θ1)-(Xu-Xt)·sin(θ1)
其中，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Dd为航迹偏差量；将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行；
在引导过程中实时计算飞机至目标航程点的距离St：
步骤5：实时比较无人机距目标航程点的距离与步骤3中所提无人机最小转弯半径，其计算公式如下：
ΔS＝St-R-C
其中，C为一个距离常数，取值为无人机2秒钟所能飞行的距离，用于让无人机提前建立倾斜姿态；若ΔS＜0，则进入步骤6，否则继续用步骤4的方式引导无人机飞行；
步骤6：若步骤3中所得的过渡方向为顺时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的顺时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D′d＝(Dv-R)
若步骤3中所得的过渡方向为逆时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的逆时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D′d＝(Dv-R)
将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行；
步骤7：实时计算无人机当前航向与θ3的差值，若则转入步骤8，否则继续按步骤7执行引导；
步骤8：引导无人机从目标航程点飞往目标航程点下一航点；无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D″d＝(Yu-Yn)·cos(θ3)-(Xu-Xn)·sin(θ3)
将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行。
所述的Kp为-0.1～-1。
所述的Ki为-0.01～-0.05。
有益效果
本发明提出的一种固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，有益效果如下：
1、采用“直线-圆形-直线”的切换方式来控制航线切换，使得两条航线之间的切换过程自然，平滑，避免无人机因调整位置而浪费飞行时间，提高有效任务时间。
2、采用了连续变化的控制量计算方法，根据无人机盘旋能力及航线形状动态调整航线切换时机，使得航线切换以最快速度执行完成，并使得航线的切出及切入过程平滑可控。
3、切换过程中采用圆盘旋控制方式，舵机控制量根据无人机相对盘旋圆心的距离进行计算，使得无人机在有侧风干扰的情况下也能按照预定的航迹进行盘旋飞行。
附图说明
图1现有航点切换飞行实现示意图
图2本发明航点切换飞行实现示意图
图3航点切换实现流程图
图4航点切换控制原理
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
步骤1：获得无人机当前飞行的航线段中的源航程点纬度、经度坐标(Bs,Ls)，目标航程点纬度、经度坐标(Bt,Lt)及目标航程点下一航点纬度、经度坐标(Bn,Ln)，并根据卫星定位结果获得无人机的纬度、经度坐标(Bu,Lu)，所有坐标均取WGS-84坐标系下的数值。
步骤2：对参心空间直角坐标系进行高斯-吕克投影，转为高斯平面直角坐标系，将步骤1中的四个位置坐标转换为直角坐标下的位置，依次定义为(Xs,Ys)，(Xt,Yt)，(Xn,Yn)，(Xu,Yu)。以下的运算均在平面直角坐标系下进行。
根据前三点位置，依据以下公式计算源航程点指向目标航程点的方位角θ1。
若(Yt-Ys)≥0
若(Yt-Ys)＜0
同理计算目标航程点下一航点指向目标航程点的方位角θ2以及目标航程点指向目标航程点下一航点的方位角θ3。
若(Yt-Yn)≥0
若(Yt-Yn)＜0
若(Yn-Yt)≥0
若(Yn-Yt)＜0
步骤3：根据步骤2中计算出的θ1和θ2，根据以下公式确定两条航线之间的夹角θ。
依据上文计算的数据，并根据以下坐标转换公式，确定两条航线的过渡方向。
D＝(Ys-Yt)·cos(θ3)-(Xs-Xt)·sin(θ3)
依据上文计算的数据，并根据以下公式，计算出虚拟的过渡盘旋中心点位置(Xv,Yv)：
Xv＝Xt+cos(θl)·L
Yv＝Yt+sin(θl)·L
若
若
其中，R为无人机最小转弯半径，取值800。若θ＜10，则不再利用上面的公式进行计算，而直接将虚拟的过渡盘旋中心点位置设为目标点位置。
步骤4：引导无人机从源航程点飞往目标航程点。无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Yu-Yt)·cos(θ1)-(Xu-Xt)·sin(θ1)
其中，Kp为比例控制系数，取值为-0.5，Ki为积分控制系数，取值为-0.02，Dd为航迹偏差量。将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行，保证无人机沿给定的航向进行飞行。
在引导过程中实时计算飞机至目标航程点的距离St，根据以下公式计算：
步骤5：实时比较无人机距目标航程点的距离与步骤3中所提无人机盘旋半径，其计算公式如下：
ΔS＝St-R-C
其中C为一个距离常数，该飞机巡航速度为150km/h，距离常数取80，用于让无人机提前建立倾斜姿态。若ΔS＜0，则进入步骤6，否则继续用步骤4的方式引导无人机飞行。
步骤6：若步骤3中所得的过渡方向为顺时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的顺时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Dv-R)
若步骤3中所得的过渡方向为逆时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的逆时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Dv-R)
其中，Kp为比例控制系数，取值为-0.5，Ki为积分控制系数，取值为-0.02，将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行，保证无人机沿给定的航向进行飞行。
步骤7：依据上文计算的数据，实时计算无人机当前航向与θ3的差值，若则转入步骤8，否则继续按步骤7执行引导。
步骤8：引导无人机从目标航程点飞往目标航程点下一航点。无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Yu-Yn)·cos(θ3)-(Xu-Xn)·sin(θ3)
其中，Kp为比例控制系数，取值为-0.5，Ki为积分控制系数，取值为-0.02，将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行，保证无人机沿给定的航向进行飞行。
从而实现无人机航线平滑切换。

Claims (3)

1.一种固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获得固定翼无人机当前飞行的航线段中的源航程点纬度、经度坐标(Bs,Ls)，目标航程点纬度、经度坐标(Bt,Lt)及目标航程点下一航点纬度、经度坐标(Bn,Ln)，并根据卫星定位结果获得无人机的纬度、经度坐标(Bu,Lu)；
步骤2：根据高斯坐标转换公式，将步骤1中的四个位置坐标依次转换为直角坐标(Xs,Ys)，(Xt,Yt)，(Xn,Yn)，(Xu,Yu)；由前三点位置，依据以下公式计算源航程点指向目标航程点的方位角θ1：
若(Yt-Ys)≥0
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若(Yt-Ys)＜0
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同理计算目标航程点下一航点指向目标航程点的方位角θ2以及目标航程点指向目标航程点下一航点的方位角θ3：
若(Yt-Yn)≥0
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步骤3：由步骤2中计算出的θ1和θ2，根据以下公式确定两条航线之间的夹角θ：
根据以下坐标转换公式，确定两条航线的过渡方向：
D＝(Ys-Yt)·cos(θ3)-(Xs-Xt)·sin(θ3)
根据以下公式，计算出虚拟的过渡盘旋中心点位置(Xv,Yv)：
Xv＝Xt+cos(θl)·L
Yv＝Yt+sin(θl)·L
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若D≥0,
若D＜0,
其中，R为无人机的最小盘旋半径，该数值可以在无人机性能手册上查到；若θ＜10，则不再利用上面的公式进行计算，而直接将目标航程点设为虚拟的过渡盘旋中心点位置；
步骤4：引导无人机从源航程点飞往目标航程点：无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
Dd＝(Yu-Yt)·cos(θ1)-(Xu-Xt)·sin(θ1)
其中，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Dd为航迹偏差量；将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行；
在引导过程中实时计算飞机至目标航程点的距离St：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
步骤5：实时比较无人机距目标航程点的距离与步骤3中所提无人机最小转弯半径，其计算公式如下：
ΔS＝St-R-C
其中，C为一个距离常数，取值为无人机2秒钟所能飞行的距离，用于让无人机提前建立倾斜姿态；若ΔS＜0，则进入步骤6，否则继续用步骤4的方式引导无人机飞行；
步骤6：若步骤3中所得的过渡方向为顺时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的顺时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
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无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D′d＝(Dv-R)
若步骤3中所得的过渡方向为逆时针，则引导无人机进入以虚拟中心点为圆心，以R为盘旋半径的逆时针圆形盘旋轨迹，计算无人机到虚拟圆心的距离Dv，方位角θv：
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无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D′d＝(Dv-R)
将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行；
步骤7：实时计算无人机当前航向与θ3的差值，若则转入步骤8，否则继续按步骤7执行引导；
步骤8：引导无人机从目标航程点飞往目标航程点下一航点；无人机飞行的期望航向根据以下公式计算：
D″d＝(Yu-Yn)·cos(θ3)-(Xu-Xn)·sin(θ3)
将计算得出的期望航向输出至横侧向控制器并得出舵机控制量，最后送至舵机进行执行。
2.根据权利要求1所述的固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，其特征在于所述的Kp为-0.1～-1。
3.根据权利要求1所述的固定翼无人机航点平滑切换的控制方法，其特征在于所述的Ki为-0.01～-0.05。
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