CN108628342A - 无人飞行器的自动飞行控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
无人飞行器的自动飞行控制***及方法，涉及无人飞行器控制领域，解决现有飞行控制***在使用过程中存在稳性差且安全***低等问题，包括数据同步模块、数据处理模块、指令变化率限幅模块、被控量偏差限幅模块、舵指令运算模块、舵指令处理模块和飞行状态监测模块；根据飞行器的实际性能，确定指令变化速率极限参数，可根据飞行器所处的实际状态调整，以此为依据对飞行控制***实际输入的控制指令进行变化率限制。需要进行变化率限幅的指令数据包括姿态角指令、空速指令、高度指令和航向指令。根据飞行器的实际性能，确定被控量偏差值参数，这些参数可根据飞行器所处的实际状态进行动态调整，以此为依据对被控量指令值与实际值的偏差进行幅值限制。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器控制领域，具体涉及一种无人飞行器的自动控制***及方法。
背景技术
随着无人飞行器技术的迅猛发展，无人飞行器产品及其相关服务市场空前繁荣。以无人飞行器为平台，搭载不同的载荷就可以提供相应的服务。目前在环境监测、农业植保、航空拍摄、遥感测绘等领域，无人飞行器以其高效性、精准性等优势取得了广泛的应用。
飞行控制***作为无人飞行器的“大脑”，其性能的优劣在很大程度上决定着无人飞行器的服务效果和机身以及载荷的安全。以航空拍摄型无人飞行器为例，即使目前的工业级相机已有防抖算法或装置，但是在拍照过程中由震动带来的噪声对照片效果影响依然很大，因此，在设计这种飞行器的控制***时飞行姿态的稳定性是首要保证的指标。另外，由于这种无人飞行器搭载的精密光学载荷往往价格昂贵，所以要求飞行器能够应对空中的异常情况，设置一定的应急保障机制，在最大限度上保证机身以及载荷的安全。
发明内容
本发明为解决现有飞行控制***在使用过程中存在稳性差且安全***低等问题，提供一种无人飞行器的自动飞行控制***及方法。
无人飞行器的自动飞行控制***，包括数据同步模块、数据处理模块、指令变化率限幅模块、被控量偏差限幅模块、舵指令运算模块、舵指令处理模块和飞行状态监测模块；
所述数据同步模块，用于获取控制***输入数据，包括来自地面站的控制指令数据和来自传感器的飞行器实际状态数据，对所述数据进行同步后发送到数据处理模块；
所述数据处理模块，用于对数据同步模块输入的控制指令数据和飞行器实际状态数据进行处理，对控制指令主要进行幅值限制；对飞行器实际状态数据进行滤波，去除噪声，使数据平滑；
所述指令变化率限幅模块，用于对控制指令的变化率进行限制；
所述被控量偏差限幅模块，用于对控制指令值与飞行器实际状态值的偏差进行幅值限制，确定被控量偏差值；
舵指令运算模块，用于根据被控量偏差限幅模块计算的被控量偏差值生成舵指令；
所述舵指令处理模块，用于将舵指令运算模块生成的舵指令进行幅值限制和滤波；
所述飞行状态监测模块，用于监测飞行器实际状态数据，计算当前被控制量偏差值与预设的偏差参数进行比较获得监测结果，并将获得的监测结果返回地面站，作为进一步决策依据，实现无人飞行器的自动飞行控制。
无人飞行器的自动飞行控制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、***初始化；
步骤二、根据飞行器的实际状态设定当前的控制参数类别；每个类别的控制参数内容均包括控制指令极限参数、控制指令变化率极限参数和被控量偏差极限参数；
步骤三、自动飞行控制***中的数据同步模块接收地面站控制指令与飞行器实际状态数据，并进行数据更新；
步骤四、对控制指令与飞行器实际状态数据进行处理，具体处理过程为：
步骤四一、首先将接收到的飞行器实际状态数据进行分类滤波；
步骤四二、判断当前帧控制指令是否超过当前类控制参数中的指令极限参数，如果是，执行步骤四三，如果否，执行步骤四四；
步骤四三、则将当前类控制参数中的指令极限参数赋给当前帧控制指令；
步骤四四、判断当前帧控制指令变化率是否超过预设的控制指令变化率极限参数，如果是，执行步骤四五，如果否，执行步骤四六；
步骤四五、采用最高变化率修改当前帧控制指令；
步骤四六、输出当前帧控制指令值；
步骤五、计算被控量偏差，具体过程为：
步骤五一、采用被控量偏差限幅模块计算当前帧控制指令值与飞行器实际状态值的偏差，获得当前帧被控量偏差；
步骤五二、判断当前帧被控量偏差是否超过当前类控制参数中的被控量偏差极限参数，如果是，执行步骤五三，如果否，执行步骤五四；
步骤五三、将当前类控制参数中的被控量偏差极限参数值赋给当前帧被控量偏差；
步骤五四、输出当前帧被控量偏差；
步骤六、根据当前帧被控量偏差生成舵指令，并对生成的舵指令进行处理，具体处理过程为：
步骤六一、首先判断飞行器飞行状态是否有切换，如果是，执行步骤六二；如果否，执行步骤六三；
步骤六二、通过一阶低通滤波器对舵指令进行滤波；
步骤六三、判断当前帧舵指令是否超过当前类舵指令极限参数，如果是，执行步骤六四；如果否，执行步骤六五；
步骤六四、将当前类舵指令极限参数值赋给当前舵指令；
步骤六五、输出当前舵指令；
步骤七、飞行状态监测与反馈；具体步骤为：
步骤七一、计算被控量偏差值以及所述被控量偏差值绝对值的变化率；
步骤七二、判断被控量偏差值是否在预设的偏差参数范围内，如果是，向地面站发送任务完成；如果否，执行步骤七三；
步骤七三、判断被控量偏差值绝对值是否呈收敛趋势，且变化率最终值接近0，如果是，向地面站发送任务完成但未成完成；如果否，向地面站发送任务异常。
本发明的有益效果：与一般的飞行控制***比较，本发明可明显提高无人飞行器飞行平稳性，特别是在飞行模式切换过程中飞机姿态角变化平缓。在航空拍摄型无人机的应用上，明显提高了拍照质量。同时在飞机遭遇到异常情况时能够充分保障机身及载荷安全。
在实现控制无人飞行器自动飞行的基础上提高飞行过程平稳性和安全性，降低飞行模式切换过程中飞机姿态的震荡幅度。
附图说明
图1为无人飞行器自动飞行控制***模块示意图；
图2为自动飞行控制***运行流程示意图；
图3为无人飞行器自动飞行控制方法中步骤四的具体流程图；
图4为无人飞行器自动飞行控制方法中步骤五的具体流程图；
图5为无人飞行器自动飞行控制方法中步骤六的具体流程图；
图6为无人飞行器自动飞行控制方法中步骤七的具体流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，无人飞行器的自动飞行控制***，本实施方式采用固定翼型无人飞行器，该飞行器巡航速度28m/s，飞行高度600m，主要功能是进行航空拍摄。该自动飞行控制***包括：
数据同步模块S1，由于飞行器的指令及状态数据是通过外部硬件设备获取的，数据的频率、获取时间不尽相同，所以需要对各类数据进行时间对其，即所谓的“同步”。数据同步完成后将被以结构体的形式整体发送到数据处理模块S2。即：用于获取控制***输入数据，包括来自地面站的控制指令数据和来自传感器的飞行器实际状态数据，对所述数据进行同步后发送到数据处理模块；
数据处理模块S2，用于对输入的控制指令进行限幅，包括姿态角指令、空速指令、高度指令和航向指令等，限幅极限参数是控制参数的一部分，由飞行器所处的状态决定；该模块还用于对飞行器实际状态数据进行滤波，去除噪声，使数据平滑包括俯仰角、滚转角、偏航角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、地速、空速、高度等。
指令变化率限幅模块S3，用于对控制指令的变化幅度进行限制，相当于对指令进行平滑处理，避免飞行器产生过大机动而造成的姿态震荡。限幅极限参数是控制参数的一部分，由飞行器所处的状态决定。
被控量偏差限幅模块S4，用于对控制指令值与实际值的偏差进行幅值限制，避免因被控量偏差过大而运算产生舵指令异常值，影响飞行器姿态稳定性。限幅极限参数是控制参数的一部分，由飞行器所处的状态决定。
舵指令运算模块S5，用于根据被控量偏差计算生成舵指令，包括油门指令、升降舵指令、方向舵指令和副翼指令。
舵指令处理模块S6，用于对舵指令进行幅值限制和滤波。保证舵指令平滑。
飞行状态监测模块S7，用于监测飞行器实际状态信息，计算当前位置姿态与目标位置姿态的偏差，与预设的偏差值进行比较分析后得出监测结果，并将结果返回地面站，作为进一步决策依据，以确保飞行器的安全性。
具体实施方式二、结合图3至图6说明本实施方式，无人飞行器的自动飞行控制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、***初始化；
***初始化包括飞行控制单元、硬件***上电等过程。
步骤二、根据飞行器的实际状态设定当前的控制参数类别；
对飞行器在空中飞行过程中的状态进行归纳，得出6个状态类别，分别是平飞、直线爬升、直线下降、定高盘旋、盘旋爬升和盘旋下降。因此，为每个飞行状态设置一套控制参数即平飞类、直线爬升类、直线下降类、定高盘旋类、盘旋爬升类和盘旋下降类。飞行控制***初始化默认为平飞状态，在飞行过程中飞行控制***会自动判别飞机所处的状态，并发出状态字更改指令，从而实现控制参数类别的变化。
前述每套控制参数的内容包括均包括控制指令极限参数、控制指令变化率极限参数、被控量偏差极限参数。
步骤三、接收地面站控制指令与飞行器实际状态数据，并进行数据更新；
飞行控制***的采样周期为0.02s，即按照50Hz的频率接收来自地面站的控制指令和飞行器实际状态数据。控制指令的主要内容是姿态角指令、空速指令、高度指令和航向指令等，控制指令是按照某种通信协议发送给飞行控制***的。
步骤四、对控制指令与飞行器实际状态数据进行处理，该步骤流程如图3所示；
步骤四一、首先将接收到的飞行器实际状态数据进行分类滤波。其中北向速度、东向速度、地向速度数据选用窗口长度为3的中值滤波器和窗口长度为20的均值滤波器；俯仰角、滚转角、偏航角数据选用窗口长度为3中值滤波器和采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器；俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度数据选用窗口长度为3的中值滤波器和采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器；空速数据选用采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器。
步骤四二、将所有的控制指令值与当前类控制参数中的指令极限参数比较，判断其是否超过当前类控制参数中的指令极限参数。如果判断结果为“是”，执行步骤四三，如果为否，执行步骤四四
步骤四三、则将相应的极限值赋给当前帧控制指令。
步骤四四、将当前帧控制指令与前帧进行比较，判断其变化率超过当前类控制参数中的控制指令变化率极限参数；如果是，执行步骤四五；如果否，执行步骤四六；
步骤四五、则认为当前帧指令无效，立即按照允许的最高变化率缓修改当前帧控制指令。
步骤四六、输出当前帧控制指令。
步骤五、计算被控量偏差并对其进行限幅，该步骤流程如图4所示；
步骤五一、将最终有效的控制指令与相应的飞行器实际状态数据做差，得出被控量偏差；
步骤五二、将当前帧被控量偏差与当前类控制参数中的被控量偏差极限参数进行比较，判断其是否超过当前类控制参数中的被控量偏差极限参数。如果判断结果为“是”，执行步骤五三；如果否，执行步骤五四；
步骤五三、则将相应的极限参数值赋给当前帧被控量偏差；
步骤五四、输出当前帧被控量偏差。
步骤六、根据被控量指令值与实际值偏差计算生成舵指令，并对生成的舵指令进行处理；
根据步骤五最终确定的被控量偏差，采用由比例(P)、积分(I)、微分(D)环节构成的控制器计算生成油门指令、升降舵指令、方向舵指令和副翼指令。
步骤六一、首先判断飞行器飞行状态是否有切换，飞行状态即前述归纳的六类。如果是，执行步骤六二，如果否，则进入步骤六三。
步骤六二、则认为飞行器处于状态切换的过渡阶段，此时对油门指令、升降舵指令、方向舵指令和副翼指令进行滤波，选用的滤波器为一阶低通滤波器。滤波器启动后开始计时，持续50周期认为过渡阶段结束，关闭滤波器；
步骤六三、将当前帧舵指令与舵指令极限参数进行比较，判断其是否超过当前类舵指令极限参数，如果是，执行步骤六四；
步骤六四、则将相应的极限参数值赋给当前帧舵指令；如果否，则进入步骤六五。
步骤六五、输出当前舵指令。
步骤七、飞行状态监测与反馈；
步骤七一、计算飞行器实际状态与控制指令的偏差值并计算飞行器实际状态与控制指令偏差值绝对值的变化率。
步骤七二、判断飞行器实际状态与控制指令的偏差是否在预先设定的偏差参数范围内，如果是，执行步骤七六；如果否，执行步骤七三；
步骤七三、判断飞行器实际状态与控制指令的偏差值绝对值是否呈收敛趋势，且变化率最终值接近0，如果是，执行步骤七五；如果否，执行步骤七四；
步骤七四、则向地面站发送“任务异常”，标志着本次飞行遇到了异常情况，请求地面站采取应急措施。
步骤七五、则向地面站发送“任务正常但未完成”，标志着本次飞行情况正常，但是并未达到当前的控制指令，可继续等待。
步骤七六、则向地面站发送“任务完成”，标志着本次飞行正常且已经达到当前的控制指令，可向飞行器继续发送指令。
本实施方式中，对输入控制指令进行幅值限制，幅值限制采取的上下限数值可根据飞行器所处的实际状态进行动态调整。
在飞行器实际状态数据滤波过程中，应该根据各类数据的特性，采取合适的滤波器。其中高度数据选用滑动均值滤波器，地速(北向速度、东向速度、地向速度)数据选用中值滤波器和均值滤波器，姿态角(俯仰角、滚转角、偏航角)数据选用中值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器，姿态角速度(俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度)数据选用中值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器，空速数据选用二阶巴特沃斯滤波器。
根据飞行器的实际性能，确定指令变化速率极限参数，这些参数可根据飞行器所处的实际状态调整，以此为依据对飞行控制***实际输入的控制指令进行变化率限制。需要进行变化率限幅的指令数据包括姿态角指令、空速指令、高度指令和航向指令。
根据飞行器的实际性能，确定被控量偏差极限参数，这些参数可根据飞行器所处的实际状态进行动态调整，以此为依据对被控量指令值与实际值的偏差进行幅值限制。需要进行变化率限幅的指令数据包括姿态角偏差、空速偏差、高度偏差和航向偏差。
采用由比例(P)、积分(I)、微分(D)环节构成的控制器计算生成舵指令。
舵指令处理过程主要包括舵指令幅值限制和滤波，舵指令限制极限参数由飞行器控制执行机构的实际行程决定；舵指令滤波主要针对飞行器飞行状态发生切换的过渡阶段，而且只持续有限个控制周期，选用的滤波器为一阶低通滤波器。
飞行控制***每个控制周期结束前应当对飞行器的状态进行监测，监测的内容包括当前飞行器实际状态与控制指令的偏差程度和变化趋势。如果飞行器实际状态与控制指令偏差满足要求，且变化趋势正确则向地面站发送“任务完成”标志；如果飞行器实际状态与控制指令偏差未满足要求，且变化趋势正确则向地面站发送“任务正常但未完成”标志；如果飞行器实际状态与控制指令偏差未满足要求，且变化趋势不正确则向地面站发送“任务异常”标志。
为适应飞行器在不同状态下的控制要求，飞行控制***提供了多套控制参数，控制参数包括前述控制指令极限参数、控制指令变化率极限参数、被控量偏差极限参数。在飞行过程中，根据飞行器所处状态的不同设置与之相匹配的控制参数，从而确保飞行状态切换过程中各项指标变化平稳。
Claims (6)
1.无人飞行器的自动飞行控制***，包括数据同步模块、数据处理模块、指令变化率限幅模块、被控量偏差限幅模块、舵指令运算模块、舵指令处理模块和飞行状态监测模块；其特征是，
所述数据同步模块，用于获取控制***输入数据，包括来自地面站的控制指令数据和来自传感器的飞行器实际状态数据，对所述数据进行同步后发送到数据处理模块；
所述数据处理模块，用于对数据同步模块输入的控制指令数据和飞行器实际状态数据进行处理，对控制指令主要进行幅值限制；对飞行器实际状态数据进行滤波，去除噪声，使数据平滑；
所述指令变化率限幅模块，用于对控制指令的变化率进行限制；
所述被控量偏差限幅模块，用于对控制指令值与飞行器实际状态值的偏差进行幅值限制，确定被控量偏差值；
舵指令运算模块，用于根据被控量偏差限幅模块计算的被控量偏差值生成舵指令；
所述舵指令处理模块，用于将舵指令运算模块生成的舵指令进行幅值限制和滤波；
所述飞行状态监测模块，用于监测飞行器实际状态数据，计算当前被控制量偏差值与预设的偏差参数进行比较获得监测结果，并将获得的监测结果返回地面站，作为进一步决策依据，实现无人飞行器的自动飞行控制。
2.根据权利要求1所述的无人飞行器的自动飞行控制***，其特征在于，在飞行器实际状态数据进行滤波过程中，根据各类数据的特性，采取相应的滤波器；其中高度数据选用滑动均值滤波器，地速数据选用中值滤波器和均值滤波器，姿态角数据选用中值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器，姿态角速度数据选用中值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器，空速数据选用二阶巴特沃斯滤波器。
3.根据权利要求2所述的无人飞行器的自动飞行控制***，其特征在于，所述地速数据采用窗口长度为3的中值滤波器和窗口长度为20的均值滤波器；姿态角数据采用窗口长度为3中值滤波器和采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器；姿态角速度数据采用窗口长度为3的中值滤波器和采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器；空速数据选用采样频率50Hz、截止频率10Hz的二阶巴特沃斯滤波器。
4.根据权利要求1所述的无人飞行器的自动飞行控制***的控制方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、***初始化；
步骤二、根据飞行器的实际状态设定当前的控制参数类别；每个类别的控制参数内容均包括控制指令极限参数、控制指令变化率极限参数和被控量偏差极限参数；
步骤三、自动飞行控制***中的数据同步模块接收地面站控制指令与飞行器实际状态数据，并进行数据更新；
步骤四、对控制指令与飞行器实际状态数据进行处理，具体处理过程为：
步骤四一、首先将接收到的飞行器实际状态数据进行分类滤波；
步骤四二、判断当前帧控制指令是否超过当前类控制参数中的指令极限参数，如果是，执行步骤四三，如果否，执行步骤四四；
步骤四三、则将当前类控制参数中的指令极限参数赋给当前帧控制指令；
步骤四四、判断当前帧控制指令变化率是否超过预设的控制指令变化率极限参数，如果是，执行步骤四五，如果否，执行步骤四六；
步骤四五、采用最高变化率修改当前帧控制指令；
步骤四六、输出当前帧控制指令值；
步骤五、计算被控量偏差，具体过程为：
步骤五一、采用被控量偏差限幅模块计算当前帧控制指令值与飞行器实际状态值的偏差，获得当前帧被控量偏差；
步骤五二、判断当前帧被控量偏差是否超过当前类控制参数中的被控量偏差极限参数，如果是，执行步骤五三，如果否，执行步骤五四；
步骤五三、将当前类控制参数中的被控量偏差极限参数值赋给当前帧被控量偏差；
步骤五四、输出当前帧被控量偏差；
步骤六、根据当前帧被控量偏差生成舵指令，并对生成的舵指令进行处理，具体处理过程为：
步骤六一、首先判断飞行器飞行状态是否有切换，如果是，执行步骤六二；如果否，执行步骤六三；
步骤六二、通过一阶低通滤波器对舵指令进行滤波；
步骤六三、判断当前帧舵指令是否超过当前类舵指令极限参数，如果是，执行步骤六四；如果否，执行步骤六五；
步骤六四、将当前类舵指令极限参数值赋给当前舵指令；
步骤六五、输出当前舵指令；
步骤七、飞行状态监测与反馈；具体步骤为：
步骤七一、计算被控量偏差值以及所述被控量偏差值绝对值的变化率；
步骤七二、判断被控量偏差值是否在预设的偏差参数范围内，如果是，向地面站发送任务完成；如果否，执行步骤七三；
步骤七三、判断被控量偏差值绝对值是否呈收敛趋势，且变化率最终值接近0，如果是，向地面站发送任务完成但未成完成；如果否，向地面站发送任务异常。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，舵指令处理过程主要包括舵指令幅值限制和滤波，舵指令限制极限参数由飞行器控制执行机构的实际行程决定；舵指令滤波主要针对飞行器飞行状态发生切换的过渡阶段，且只持续有限个控制周期，选用的滤波器为一阶低通滤波器。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，采用由比例(P)、积分(I)、微分(D)环节构成的控制器计算生成舵指令。
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2018
- 2018-04-28 CN CN201810399081.5A patent/CN108628342A/zh active Pending
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