CN111766896B - 一种基于动基座的无人机控制方法及其*** - Google Patents

一种基于动基座的无人机控制方法及其*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于动基座的无人机控制方法及其***，该方法包括起飞过程、跟随过程、降落过程，起飞过程包括以下步骤：解锁无人机，并检测无人机当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度；判断所述水平位置和当前高度是否达到起飞条件，如是，控制无人机弹起起飞，并进入起飞状态。本发明的***采用上述的方法进行无人机控制。本发明可以实现动基座平台上无人机的平稳起飞、跟随过程和精准降落三个功能需求，从而降低移动平台上无人机的使用难度。

Description

一种基于动基座的无人机控制方法及其***
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于动基座的无人机控制方法以及应用该方法的无人机控制***。
背景技术
随着无人机技术的飞速发展，无人机由于具有重量轻、尺寸小、成本低、机动性高、隐蔽性好等特点，飞行时间可以相当长，特别适宜于执行危险性很大的任务，因此被广泛地应用到各个领域。
常规无人机一般分为固定翼和多旋翼两种。固定翼无人机具有飞行速度快、续航时间长和航程远的优点，但在起降过程中需要利用跑道进行滑跑，而且无法进行空中悬停；多旋翼无人机可以进行垂直起降，对起降场地没有特殊要求，也可以进行空中悬停，但是飞行速度和续航时间都难以和固定翼无人机相比。
目前无人机存在：(1)动基座起飞难、(2)动基座跟随难、(3)动基座精准降落难等缺点。
(1)、现有无人机只能在地面或静止物体表面起飞，即静基座起飞，飞行运动轨迹参考惯性坐标系。在动基座上起飞，完全脱离基座表面前，机架与基座之间存在相互作用力，导致无人机不能像在空中一样正常调整位置与速度，容易造成位置-速度控制器中积分控制量的积累，产生大的加速度给定量，导致无人机起飞姿态过大，容易侧翻；另一问题就是在颠簸或者晃动大的动基座平台上，飞行器容易滑落平台。
(2)、现有无人机无法获取地面动基座的运动状态，不能实现自动化的动基座跟飞功能。必须要时刻进行人工介入操控，才能实现无人机对动基座的同步飞行。
(3)、飞行任务结束后也只能返航至起飞点，或者降落在通过地面站指定的静止平台表面上，无法自动化返航至动基座正上方并最终实现动基座上可靠的精准降落。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可以实现动基座平台上无人机的平稳起飞、跟随过程和精准降落三个功能需求，从而降低移动平台上无人机的使用难度的基于动基座的无人机控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种可以实现动基座平台上无人机的平稳起飞、跟随过程和精准降落三个功能需求，从而降低移动平台上无人机的使用难度的基于动基座的无人机控制***。
为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种基于动基座的无人机控制方法，其包括起飞过程、跟随过程、降落过程，所述起飞过程包括以下步骤：解锁无人机，并检测无人机当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度；判断所述水平位置和当前高度是否达到起飞条件，如是，控制无人机弹起起飞，并进入起飞状态；所述跟随过程通过动基座基站采集动基座平台的运动状态，并与无人机之间进行数据透传，无人机接收动基座平台运动状态后，进行位置、速度环的协同飞行控制；所述降落过程通过无人机对动基座平台进行与定位与检测，根据动基座平台的实时位置进行返航路径规划，引导无人机返航至动基座平台上方做同步飞行，在下降阶段进行相对位置控制并精准降落在动基座平台上。
进一步的方案中，在无人机脚架上安装电磁铁机构，由无人机飞控触发电磁铁驱动电路进行控制，当电磁铁机构处于通电状态时，产生吸住动基座平台铁质表面的磁力。
更进一步的方案中，在触发起飞指令后，无人机飞控的高度控制器生效，无人机飞控的水平控制器保持无效，在高度控制器生效后，无人机的期待高度从当前位置开始上升，高度控制器输出的油门控制量会持续上升，电磁铁机构产生的吸力使无人机吸住动基座平台表面，无人机姿态给定量为当前姿态，无人机姿态随动基座平台表面晃动；在确定高度控制器输出的油门控制量大于起飞油门设定值时，触发电磁铁机构断电指令；在电磁铁机构断电后，无人机快速脱离动基座平台表面弹起起飞，高度控制器继续生效，期待高度持续上升，水平控制器保持无效，无人机姿态给定量为0值，无人机姿态保持平稳起飞，无人机脱离动基座平台表面，在确定无人机高度大于设定高度值后，水平控制器生效，无人机姿态给定量为水平控制器输出量，完成动基座起飞动作。
更进一步的方案中，在垂直方向上，通过高度控制器建立垂向控制模型，高度控制器包括垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器，无人机通过组合导航***获取当前高度、当前垂向速度与当前垂向加速度，向垂向控制模型输入期待高度，当触发起飞指令后，期待高度从当前位置开始按斜坡信号增加，并依次经过垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器后，生成油门控制量，以控制无人机起飞。
更进一步的方案中，在水平方向上，通过水平控制器建立水平控制模型，水平控制器包括水平位置P控制器、水平速度PI控制器，无人机通过组合导航***获取当前水平位置、当前水平速度与当前水平加速度，向水平控制模型输入期待水平位置；在触发起飞前，水平位置P控制器和水平速度PI控制器无效，无人机姿态给定量根据当前无人机姿态来确定，即无人机随动基座平台摇摆晃动发生姿态变化；在触发起飞后，到达起飞高度设定值前，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器保持无效，无人机姿态给定量根据0值而定，即无人机起飞后保持姿态水平；在无人机到达起飞高度设定值后，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器生效，期待水平位置通过水平位置P控制器以及水平速度PI控制器，生成水平加速度控制量，并转换为无人机姿态给定量，进行无人机姿态控制，至此无人机在动基座平台起飞结束。
更进一步的方案中，在水平方向上，根据起飞状态设置有三种不同形式的水平控制器，并根据起飞状态的不同进行水平控制器不同的形式切换，其中，对应的三种起飞状态分别为触发起飞前、触发起飞后到达起飞高度设定值前、到达起飞高度设定值后。
更进一步的方案中，所述跟随过程包括动基座跟飞模式，在动基座跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制；在无人机做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度、迫近速度和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台的实时位置与无人机位置之差，控制表现为无人机飞向动基座平台正上方做同步飞行。
更进一步的方案中，所述跟随过程包括手动跟飞模式，在手动跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制；在无人机做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度、迫近速度和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台的实时位置叠加上手控位置调整量后，再与无人机位置之差，控制表现为无人机飞向动基座平台正上方做同步飞行，同时通过手控操作来调整无人机的相对位置。
更进一步的方案中，在动基座平台上的无人机降落点安装红外指示灯，在无人机机载端安装红外视觉感应器，通过红外视觉感应器获取红外指示灯的方位α、β，无人机机载端的测距雷达与红外摄像头同轴，用于测量红外摄像头与动基座平台的距离L，并计算出无人机降落点的相对位置X、Y。
更进一步的方案中，所述降落过程包括基站引导阶段、红外引导阶段，在基站引导阶段，动基座基站通过数传通道将动基站平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制，控制效果表现为无人机飞向动基座正上方做同步飞行，在红外传感器检测到红外指示灯的位置后，从基站引导阶段进入红外引导阶段。
更进一步的方案中，在红外引导阶段，无人机接收来自动基座基站所发送的动基站平台的惯导速度，同时计算红外指示灯的位置作为新的基站位置惯导位置，由无人机做速度跟踪控制，其速度给定量为同步水平速度与迫近速度之和，其中，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为红外指示位置与无人机位置之差，控制表现为无人机飞向红外指示灯位置的正上方做同步飞行。
为了实现上述的另一目的，本发明提供的一种基于动基座的无人机控制***，其包括动基座基站、无人机地面站、无人机，动基座基站连接在无人机地面站与无人机之间，用于透传无人机地面站与无人机之间的数据包，且采集动基座平台的运动状态，并且从卫星定位***获取动基座平台的运动状态信息，将数据打包通过数传机载端发送至无人机，无人机接收到数据包后，进行位置、速度环的协同飞行控制，其中，动基座基站包括动基座平台、数传机载端、卫星定位天线、卫星定位***、基站处理器、数传地面端。
由此可见，本发明为降低动基座上无人机的使用难度，针对动基座上使用无人机，遇到的动基座起飞难、动基座跟随难以及动基座降落难三个问题，设计了无人机动基座***，通过获取动基座的运动状态信息，调整姿态控制器、速度控制器以及位置控制器，实现动基座平台上无人机的平稳起飞、智能跟随飞行和精准降落三个功能需求，从而降低移动平台上无人机的使用难度。
所以，本发明的无人机可以在移动车顶起飞或舰载起飞；可以跟随动基座飞行，与动基座始终保持一定的相对位置，并且可以通过人工操控调整相对位置；无人机可以自动返航至动基座的正上方，并最终实现精准降落；可以实现全自主的动基座起飞、动基座跟飞、动基座精准降落。
附图说明
图1是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中起飞过程的流程框图。
图2是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中垂向控制模型的原理图。
图3是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中水平控制模型的原理图。
图4是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中跟随过程的水平速度控制器的原理图。
图5是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中动基座跟飞模式的原理图。
图6是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中手动跟飞模式的原理图。
图7是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中精准降落引导***的第一原理图。
图8是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中精准降落引导***的第二原理图。
图9是本发明一种基于动基座的无人机控制方法实施例中降落过程的水平速度控制器的原理图。
图10是本发明一种基于动基座的无人机控制***实施例的原理图。
图11是本发明一种基于动基座的无人机控制***实施例中动基座基站的原理图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1至图11，本发明的一种基于动基座的无人机控制方法包括起飞过程、跟随过程、降落过程。应用本发明的无人机可以在移动中的车顶或舰载平台上起飞、跟随飞行以及精准降落，是一个“空-地”、“空-海”协同作业***，可以应用在海洋巡查、海上搜救、车载系留无人机等领域。
一种基于动基座的无人机控制方法实施例：
在本实施例中，如图1所示，起飞过程包括以下步骤：解锁无人机，并检测无人机30当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度；判断水平位置和当前高度是否达到起飞条件，如是，控制无人机30弹起起飞，并进入起飞状态。其中，判断水平位置和当前高度是否达到起飞条件，具体包括：在触发起飞指令后，无人机飞控31的高度控制器生效，无人机飞控31的水平控制器保持无效，在高度控制器生效后，无人机30的期待高度从当前位置开始上升，高度控制器输出的油门控制量会持续上升，电磁铁机构33产生的吸力使无人机30吸住动基座平台8表面，无人机姿态给定量为当前姿态，无人机姿态随动基座平台8表面晃动；在确定高度控制器输出的油门控制量大于起飞油门设定值时，触发电磁铁机构33断电指令；在电磁铁机构33断电后，无人机30快速脱离动基座平台8表面弹起起飞，高度控制器继续生效，期待高度持续上升，水平控制器保持无效，无人机姿态给定量为0值，无人机姿态保持平稳起飞，无人机30脱离动基座平台8表面，在确定无人机30高度大于设定高度值后，水平控制器生效，无人机姿态给定量为水平控制器输出量，完成动基座起飞动作。
在本实施例中，在检测无人机30当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度之前，还包括在无人机脚架上安装电磁铁机构33，由无人机飞控31触发电磁铁驱动电路32进行控制，当电磁铁机构33处于通电状态时，产生吸住动基座平台8铁质表面的磁力。例如，在无人机脚架上安装电磁铁机构33，由无人机飞控31通过IO口输出高低电平，触发电磁铁驱动电路32进行控制，当IO口输出高电平时，电磁铁机构33处于通电状态并产生吸住动基座平台8铁质表面的磁力。
起飞过程具体包括以下步骤：A、开机，电磁铁机构33通电，吸附动基座平台8铁质表面。其中，在无人机30上电，飞控初始化完毕后，电磁铁机构33通电，电磁铁机构33磁力加大了无人机30与动基座平台8的吸附能力以及摩擦力，有帮助无人机30抵抗动基座的颠簸与晃动，防止侧翻与滑落。
B、输入解锁指令，判断是否触发解锁指令，如是，则无人机电机怠速转动。
C、输入起飞指令，判断是否触发起飞指令，如是，则高度控制器生效，期待高度上升，油门控制量上升，水平控制器保持无效。其中，高度控制器生效后，无人机30的期待高度从当前位置开始上升，高度控制器输出的油门控制量会持续上升，电磁铁机构33产生的吸力使无人机30无法脱离动基座平台8表面，避免了颠簸造成无人机30滑落的问题。无人机姿态给定量为当前姿态，无人机姿态不作控制，随动基座平台8表面晃动，待高度控制器输出的油门控制量大于起飞油门设定值时，触发电磁铁机构33断电指令。
D、电磁铁机构33断电，无人机30快速脱离动基座平台8表面弹起起飞，水平控制器保持无效。电磁铁机构33断电后，磁吸力消失，由于此时高度控制器的油门控制量大于起飞油门设定值，旋翼升力大于机身重力，无人机30快速起飞脱离动基座平台8表面弹起起飞，同时水平控制器保持无效，无人机姿态给定量为0，无人机姿态保持平稳，避免了未完全脱离动基座平台8表面平面容易侧翻的问题。
E、无人机30脱离动基座平台8表面，到达设定高度后，水平控制器生效，动基座起飞动作完成。
在垂直方向上，通过高度控制器建立垂向控制模型，高度控制器包括垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器，无人机30通过组合导航***获取当前高度CurPos、当前垂向速度CurVel与当前垂向加速度CurAcc，向垂向控制模型输入期待高度DesPos，当触发起飞指令后，期待高度DesPos从当前位置开始按斜坡信号增加，并依次经过垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器后，生成油门控制量Thr，以控制无人机30起飞。
在水平方向上，通过水平控制器建立水平控制模型，水平控制器包括水平位置P控制器、水平速度PI控制器，无人机30通过组合导航***获取当前水平位置CurPos、当前水平速度CurVel与当前水平加速度CurAcc，向水平控制模型输入期待水平位置DesPos；在触发起飞前，水平位置P控制器和水平速度PI控制器无效，无人机姿态给定量DesAng根据当前无人机姿态CurAng来确定，即无人机30随动基座平台8摇摆晃动发生姿态变化；在触发起飞后，到达起飞高度设定值前，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器保持无效，无人机姿态给定量DesAng根据0值而定，即无人机30起飞后保持姿态水平；在无人机30到达起飞高度设定值后，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器生效，期待水平位置DesPos通过水平位置P控制器以及水平速度PI控制器，生成水平加速度控制量DesAcc，并转换为无人机姿态给定量DesAng，进行无人机姿态控制，至此无人机30在动基座平台8起飞结束。
在水平方向上，根据起飞状态设置有三种不同形式的水平控制器，并根据起飞状态的不同进行水平控制器不同的形式切换，其中，对应的三种起飞状态分别为触发起飞前、触发起飞后到达起飞高度设定值前、到达起飞高度设定值后。
在实际应用中，本实施例的起飞方案可以解决常规无人机30在动基座上容易造成侧翻、滑落的问题，主要涉及到两部分工作：(1)增加电磁铁机构33；(2)设计动基座起飞控制器。
(1)增加电磁铁机构33：电磁铁机构33安装在无人机脚架上，由无人机飞控31通过IO口输出高低电平，触发电磁铁驱动电路32进行控制，并通过IO口输出。电磁铁机构33处于通电状态时，能够产生吸住铁质船甲板或者铁质车顶的磁力；电磁铁机构33处于断电状态时，不产生磁力。
(2)设计动基座起飞控制器：动基座平台8起飞需要进行无人机30的垂直方向上的位置速度控制，以及水平方向上的位置速度控制。
在垂直方向上，位置环采用垂向位置P控制器，速度环采用垂向速度P控制器，加速度环采用垂向加速度PI控制器。在触发起飞指令后，位置速度控制器如图2所示。
其中，DesPos1：期待高度；CurPos1：当前高度；ErrPos1：高度跟踪误差，等于DesPos1-CurPos1；DesVel1：期待垂向速度；CurVel1：当前垂向速度；ErrVel1：垂向速度跟踪误差，等于DesVel1-CurVel1；DesAcc1：期待垂向加速度；CurAcc1：当前垂向加速度；ErrAcc1：垂向加速度跟踪误差，等于DesAcc1-CurAcc1；Thr：油门控制量；被控对象：垂向控制模型。
具体的，无人机30通过组合导航***获取CurPos1、CurVel1与CurAcc1，控制***的输入为期待高度DesPos1，当触发起飞指令后，期待高度DesPos1按斜坡信号增加，依次经过垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器之后，生成油门控制量Thr，控制无人机30起飞。当Thr大于起飞油门后，电磁铁自动释放，无人机30轻微弹起起飞。
在水平方向上，位置速度控制器有三种不同的形式，根据起飞状态的不同进行控制器形式切换。对应的三种起飞状态为：触发起飞前、触发起飞后到达起飞高度设定值前、到达起飞高度设定值后，如图3所示。
其中，DesPos2：期待水平位置；CurPos2：水平位置；ErrPos2：水平位置跟踪误差，等于DesPos2-CurPos2；DesVel2：期待水平速度；CurVel2：当前水平速度；ErrVel2：水平速度跟踪误差，等于DesVel2-CurVel2；DesAcc2：期待水平加速度；CurAcc2：当前水平加速度；CurAng2：当前无人机姿态；Zero：0值给定；DesAng2：给定姿态，该值会根据起飞状态的不同，依据不同的量而定。
具体的，无人机30通过组合导航***获取CurPos2、CurVel2与CurAcc2，控制***的输入为期待水平位置DesPos2。
在起飞前，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器无效，DesAng2根据CurAng2而定，表现为无人机30随动基座摇摆晃动发生姿态变化，也不会产生横滚俯仰方向上的控制量，避免由于旋翼平面倾斜，导致的无人机30侧翻。
在触发起飞后，到达起飞高度设定值前，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器保持无效，DesAng2根据Zero而定，也就是0给定，表现为无人机30起飞后保持姿态水平，无人机30随惯性而动，不会进行速度调整，避免起飞离地较近的时候出现较大的姿态给定旋翼打到动基座平台8表面。
在无人机30到达起飞高度设定值后，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器生效。期待水平位置DesPos2通过水平位置P控制器以及水平速度PI控制器，生成水平加速度控制量DesAcc2，进而转换为无人机30的给定姿态量DesAng2，进行无人机姿态控制，表现为无人机30能够按照规划好的轨迹，进行位置速度的跟踪，至此动基座平台8起飞结束。
在本实施例中，跟随过程通过动基座基站采集动基座平台8的运动状态，并与无人机30之间进行数据透传，无人机30接收动基座平台8运动状态后，进行位置、速度环的协同飞行控制，如图4所述。
具体地，跟随过程包括动基座跟飞模式，在动基座跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台8的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos发送至无人机30，由无人机30做速度跟踪控制。
在无人机30做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度SyncVel、迫近速度ApproachVel和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置DesPos，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台8的实时位置SyncPos与无人机位置CurPos之差SyncErrPos，控制表现为无人机30飞向动基座平台8正上方做同步飞行。
另外，跟随过程还包括手动跟飞模式，在手动跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台8的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos发送至无人机30，由无人机30做速度跟踪控制。
在无人机30做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度SyncVel、迫近速度ApproachVel和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置DesPos，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台8的实时位置SyncPos叠加上手控位置调整量ManualPos后，再与无人机位置CurPos之差SyncErrPos，控制表现为无人机30飞向动基座平台8正上方做同步飞行，同时通过手控操作来调整无人机30的相对位置。
在实际应用中，动基座基站包含卫星定位***，用于采集动基座平台8的运动状态，把状态打包通过数传数据链推送给无人机30，无人机30接收动基座运动状态后，进行位置、速度环的协同飞行控制。
本实施例采用二阶非线性跟踪微分器进行轨迹规划，二阶非线性跟踪微分器具备较好的高频噪声抑制效果，同时保证较快的信号跟踪能力，二阶非线性跟踪微分器算式如式(1)所示：
在位置规划中，采用二阶非线性跟踪微分器的目的是规划出一个迫近输入位置的速度控制量，将输出的速度控制量及其积分作为无人机水平位置控制器的输入，控制效果为引导无人机30迫近动基座正上方。设动基座平台8的位置为pmb，无人机的位置为puav。
其中，vin：动基座相对于无人机的水平位置差值，即vin＝pmb-puav；R：位置跟踪的最大加速度；x1：对vin进行跟踪的位置量；x2：x1对vin进行跟踪过程中规划出来的速度量，如式(2)所示。
其中，vin作为二阶非线性跟踪微分器的输入，规划出来的速度量x2作为输出。把x2叠加到无人机水平速度控制环的输入，把x2的积分量叠加到水平位置环的输入，控制效果表现为无人机的位置在跟踪vin的值。
在本实施例中，跟随过程的水平速度控制器结构如图4所示：
其中，DesPos3：期待水平位置；CurPos3：水平位置；ErrPos3：水平位置跟踪误差，等于DesPos3-CurPos3；DesVel3：期待水平速度；CurVel3：当前水平速度；ErrVel3：水平速度跟踪误差，等于DesVel 3-CurVel3；DesAcc3：期待水平加速度；CurAcc3：当前水平加速度；CurAng3：当前无人机姿态
具体地，动基座跟飞模式主要包含两种子模式：动基座跟飞模式和手动跟飞模式。
在动基座跟飞模式下，无人机30能够规划路径，返航至动基座基站正上方，并保持在动基座基站正上方做同步飞行。动基座基站通过数传通道，把动基座平台8的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos等信息推送给无人机30，无人机30做速度跟踪控制，速度给定量为同步水平速度SyncVel与迫近速度ApproachVel之和，速度给定量做积分运算获得期待位置DesPos3。其中，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台8位置SyncPos与无人机位置CurPos3之差SyncErrPos，控制效果表现为无人机30飞向动基座正上方做同步飞行，如图5所示。
其中，SyncPos：动基座同步水平位置，等于动基座平台8的实时位置；SyncVel：动基座同步水平速度，等于动基座平台8的实时速度；SyncErrPos：同步跟飞水平位置误差量，等于SyncPos-CurPos；ApproachVel：迫近水平速度量，为跟踪微分器规划出来的，能够引导无人机30迫近动基座水平位置的速度给定量。
在手动跟飞模式下，无人机30能够保持在动基座固定的相对位置上，做同步飞行，同时允许遥控器调整相对位置。动基座基站通过数传通道，把动基座平台8的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos等信息推送给无人机30，无人机30做速度跟踪控制，速度给定量为同步水平速度SyncVel、迫近速度ApproachVel、手控速度给定量ManualVel之和，速度给定量做积分运算获得期待位置DesPos。迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为基站位置SyncPos叠加上手控位置调整量ManualPos后，与无人机位置CurPos3之差SyncErrPos。控制效果表现为无人机30飞向动基座平台8正上方做同步飞行，同时可以手控介入操作，调整无人机30的相对位置，如图6所示：
其中，ManualVel：手控速度给定量，是人通过遥控器给定的速度给定量；ManualPos：手控位置调整量，由手控速度给定量ManualVel的积分获得。
在本实施例中，降落过程通过无人机30对动基座平台8进行与定位与检测，根据动基座平台8的实时位置进行返航路径规划，引导无人机30返航至动基座平台8上方做同步飞行，在下降阶段进行相对位置控制并精准降落在动基座平台8上。
在本实施例中，降落过程需要引入精准降落引导***，精准降落引导***采用红外引导方案，如图7和图8所示，在动基座平台8上的无人机降落点安装红外指示灯，在无人机机载端安装红外视觉感应器，通过红外视觉感应器获取红外指示灯的方位α、β，无人机机载端的测距雷达与红外摄像头同轴，用于测量红外摄像头与动基座平台8的距离L，并实时计算出无人机降落点的相对位置X、Y。
具体地，如图9所示，降落过程包括基站引导阶段、红外引导阶段，在基站引导阶段，动基座基站通过数传通道将动基站平台的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos发送至无人机30，由无人机30做速度跟踪控制，控制效果表现为无人机30飞向动基座正上方做同步飞行，在红外传感器检测到红外指示灯的位置后，从基站引导阶段进入红外引导阶段。
在红外引导阶段，无人机30接收来自动基座基站所发送的动基站平台的惯导速度SyncVel，同时计算红外指示灯的位置作为新的基站位置惯导位置SyncPos，由无人机30做速度跟踪控制，其速度给定量为同步水平速度SyncVel与迫近速度ApproachVel之和，其中，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为红外指示位置SyncPos与无人机位置CurPos之差SyncErrPos，控制表现为无人机30飞向红外指示灯位置的正上方做同步飞行。
在实际应用中，动基座精准降落，需要引入动基座基站以及精确降落引导***。其中，动基座精准降落分两个阶段：基站引导阶段、红外引导阶段。
在基站引导阶段，动基座基站通过数传通道，把动基座平台8的惯导速度SyncVel以及惯导位置SyncPos等信息推送给无人机30。无人机30做速度跟踪控制，速度给定量为同步水平速度SyncVel与迫近速度ApproachVel之和。其中，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台8位置SyncPos与无人机位置CurPos之差SyncErrPos，控制效果表现为无人机30飞向动基座正上方做同步飞行。
在红外传感器检测到红外指示灯的位置后，从基站引导阶段进入红外引导阶段。在红外引导阶段，无人机30接收来自动基座平台8的惯导速度SyncVel，同时实时解算红外指示灯的位置作为更精准的动基座平台8位置SyncPos。由无人机30做速度跟踪控制，速度给定量为同步水平速度SyncVel与迫近速度ApproachVel之和。其中，迫近速度ApproachVel由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为红外指示位置SyncPos与无人机位置CurPos之差SyncErrPos，控制效果表现为无人机30飞向红外指示灯位置的正上方做同步飞行。
一种基于动基座的无人机控制***实施例：
参见图10与图11，本发明提供的一种基于动基座的无人机控制***，其包括动基座基站10、无人机地面站20、无人机30，动基座基站10连接在无人机地面站20与无人机30之间，用于透传无人机地面站20与无人机30之间的数据包，且采集动基座平台8的运动状态，并且从卫星定位***获取动基座平台8的运动状态信息，将数据打包通过数传机载端发送至无人机30，无人机30接收到数据包后，进行位置、速度环的协同飞行控制，其中，动基座基站10包括动基座平台8、数传机载端15、卫星定位天线11、卫星定位***1、基站处理器13、数传地面端14。本实施例的数传机载端15可以是无人机数据链路，是用于飞控和地面站之间的数据传输，基本原理是调制调解器通过无线方式工作。其中，数传链路也就是数传***，分为机载数传电台和地面数传电台，可以将无人机的姿态、位置、高度等信息进行天空端与地面端的传输。
本实施例的动基座平台8可以是船只甲板、或者车辆顶部等移动载具上的平台，如图11中的动基座平台8的铁质降落平面，用于无人机起降，在动基座平台8上的无人机降落点安装红外指示灯3，卫星定位天线11设置在距离红外指示灯3的1～3米距离的地方，天线架设高度不宜接近或者高于无人机的旋翼高度，以此避免跟旋翼发生碰撞。另外，动基座基站10的卫星定位天线11附近2米范围内不应该有高于1米的障碍物，避免遮挡天线的卫星信号，卫星定位天线11的架设应该根据实际情况而定。
当然，动基座基站设置位置相对随意，但是对于带有组合导航模块的动基座基站，应该对准偏航方向。
本实施例的基站处理器采用多种嵌入式处理器，需要实现解析定位模块数据包，接收并转发基站、飞控数据包的功能。
本实施例的数传地面端为动基座基站的一部分，配套使用的还有数传机载端15，一组2个(机载端、地面端)，实现数据的收发。
由此可见，本发明为降低动基座上无人机的使用难度，针对动基座上使用无人机，遇到的动基座起飞难、动基座跟随难以及动基座降落难三个问题，设计了无人机动基座***，通过获取动基座的运动状态信息，调整姿态控制器、速度控制器以及位置控制器，实现动基座平台8上无人机的平稳起飞、智能跟随飞行和精准降落三个功能需求，从而降低移动平台上无人机的使用难度。
所以，本发明的无人机可以在移动车顶起飞或舰载起飞；可以跟随动基座飞行，与动基座始终保持一定的相对位置，并且可以通过人工操控调整相对位置；无人机可以自动返航至动基座的正上方，并最终实现精准降落；可以实现全自主的动基座起飞、动基座跟飞、动基座精准降落。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动基座的无人机控制方法，包括起飞过程、跟随过程、降落过程，其特征在于：
所述起飞过程包括以下步骤：
解锁无人机，并检测无人机当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度；在检测无人机当前水平方向上的水平位置及垂直方向上的当前高度之前，还包括：在无人机脚架上安装电磁铁机构，由无人机飞控触发电磁铁驱动电路进行控制，当电磁铁机构处于通电状态时，产生吸住动基座平台铁质表面的磁力；
判断所述水平位置和当前高度是否达到起飞条件，如是，控制无人机弹起起飞，并进入起飞状态；其中，在触发起飞指令后，无人机飞控的高度控制器生效，无人机飞控的水平控制器保持无效，在高度控制器生效后，无人机的期待高度从当前位置开始上升，高度控制器输出的油门控制量会持续上升，电磁铁机构产生的吸力使无人机吸住动基座平台表面，无人机姿态给定量为当前姿态，无人机姿态随动基座平台表面晃动；在确定高度控制器输出的油门控制量大于起飞油门设定值时，触发电磁铁机构断电指令；在电磁铁机构断电后，无人机快速脱离动基座平台表面弹起起飞，高度控制器继续生效，期待高度持续上升，水平控制器保持无效，无人机姿态给定量为0值，无人机姿态保持平稳起飞，无人机脱离动基座平台表面，在确定无人机高度大于设定高度值后，水平控制器生效，无人机姿态给定量为水平控制器输出量，完成动基座起飞动作：
其中，在水平方向上，通过水平控制器建立水平控制模型，水平控制器包括水平位置P控制器、水平速度PI控制器，无人机通过组合导航***获取当前水平位置、当前水平速度与当前水平加速度，向水平控制模型输入期待水平位置；
在触发起飞前，水平位置P控制器和水平速度PI控制器无效，无人机姿态给定量根据当前无人机姿态来确定，即无人机随动基座平台摇摆晃动发生姿态变化；
在触发起飞后，到达起飞高度设定值前，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器保持无效，无人机姿态给定量根据0值而定，即无人机起飞后保持姿态水平；
在无人机到达起飞高度设定值后，水平位置P控制器以及水平速度PI控制器生效，期待水平位置通过水平位置P控制器以及水平速度PI控制器，生成水平加速度控制量，并转换为无人机姿态给定量，进行无人机姿态控制，至此无人机在动基座平台起飞结束；
在水平方向上，根据起飞状态设置有三种不同形式的水平控制器，并根据起飞状态的不同进行水平控制器不同的形式切换，其中，对应的三种起飞状态分别为触发起飞前、触发起飞后到达起飞高度设定值前、到达起飞高度设定值后；
所述跟随过程通过动基座基站采集动基座平台的运动状态，并与无人机之间进行数据透传，无人机接收动基座平台运动状态后，进行位置、速度环的协同飞行控制；
所述降落过程通过无人机对动基座平台进行与定位与检测，根据动基座平台的实时位置进行返航路径规划，引导无人机返航至动基座平台上方做同步飞行，在下降阶段进行相对位置控制并精准降落在动基座平台上。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
在垂直方向上，通过高度控制器建立垂向控制模型，高度控制器包括垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器，无人机通过组合导航***获取当前高度、当前垂向速度与当前垂向加速度，向垂向控制模型输入期待高度，当触发起飞指令后，期待高度从当前位置开始按斜坡信号增加，并依次经过垂向位置P控制器、垂向速度P控制器、垂向加速度PI控制器后，生成油门控制量，以控制无人机起飞。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述进行位置、速度环的协同飞行控制，具体包括：
所述跟随过程包括动基座跟飞模式，在动基座跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制；
在无人机做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度、迫近速度和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台的实时位置与无人机位置之差，控制表现为无人机飞向动基座平台正上方做同步飞行。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述进行位置、速度环的协同飞行控制，具体包括：
所述跟随过程包括手动跟飞模式，在手动跟飞模式下，动基座基站通过数传通道将动基座平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制；
在无人机做速度跟踪控制时，其速度给定量为同步水平速度、迫近速度和手控速度给定量之和，其中，速度给定量做积分运算获得期待水平位置，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为动基座平台的实时位置叠加上手控位置调整量后，再与无人机位置进行减法运算，控制表现为无人机飞向动基座平台正上方做同步飞行，同时通过手控操作来调整无人机的相对位置。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述降落过程具体包括：
在动基座平台上的无人机降落点安装红外指示灯，在无人机机载端安装红外视觉感应器，通过红外视觉感应器获取红外指示灯的方位α、β，无人机机载端的测距雷达与红外视觉感应器同轴，用于测量红外视觉感应器与动基座平台的距离L，并计算出无人机降落点的相对位置X、Y。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：
所述降落过程包括基站引导阶段、红外引导阶段，在基站引导阶段，动基座基站通过数传通道将动基站平台的惯导速度以及惯导位置发送至无人机，由无人机做速度跟踪控制，控制效果表现为无人机飞向动基座正上方做同步飞行，在红外视觉感应器检测到红外指示灯的位置后，从基站引导阶段进入红外引导阶段。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：
在红外引导阶段，无人机接收来自动基座基站所发送的动基站平台的惯导速度，同时计算红外指示灯的位置作为新的基站位置惯导位置，由无人机做速度跟踪控制，其速度给定量为同步水平速度与迫近速度之和，其中，迫近速度由跟踪微分器生成，跟踪微分器的输入为红外指示位置与无人机位置之差，控制表现为无人机飞向红外指示灯位置的正上方做同步飞行。
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