专利名称：一种无人机多模态控制与切换方法
技术领域：
本发明涉及无人机飞行控制领域，具体地说是指一种无人机多模态控制与切换技术。
技术背景20世纪70年代初出现的电传操纵系统克服了机械操纵系统的固有缺陷，同时也为实现 其他控制功能奠定了基础。通过在电传操纵系统中加入适当的前馈和反馈网络，可以改变飞 机本身的输入输出特性，使其具有不同的飞行品质，以适应不同飞行任务的需要，从而形成 了现代飞行控制中的多重任务的多模态控制技术。例如，美国在20世纪80年代初进行试飞 验证的AFTI/F-16飞机就釆用了多模态控制规律。为适应飞机起飞、巡航以及不同空战任 务的需要，设计了正常模态、空对空射击模态、空对地射击模态以及空对地轰炸模态。与此 同时，为了验证解耦控制技术，还相应设计了四种解耦控制纟莫态。另外，从提高系统可靠性 的角度出发，还专门设计了控制律重构禾莫态。多模态控制指的是飞行控制系统采用不同的控制方式以及相应的控制结构以满足不同飞 行任务的需要。设计多模态控制系统需要解决的关键问题在于如何确定和划分飞行控制系 统的控制模态以及实现复杂的多，莫态控制管理。确定和划分系统的模态可以依据不同的原则， 例如可以根据飞行任务要求的响应类型划分，可以根据飞行阶段划分，也可以根据控制系统 的余度管理要求划分。对于多模态控制的管理主要体现在依据某种模态的功能及其对飞机运 动的影响来实现对该模态进入或是退出条件的管理。无人机其机载无人的独特优势，放宽了飞行品质的限制和要求。然而，这同时也带来了 缺乏驾驶员的决策及其机动灵活的驾驶和控制等缺点。无人机的基本任务是侦察和监视，包 括战术上的局部情报收集以及战略上针对性的大航程长航时的情报收集，另外，无人机在对 敌目标进行直接攻击中的优越性使得各种无人战斗机已经开始研制和试飞。如何充分考虑无 人机本身以及其飞行任务的特点，在工程实用条件下解决上述的关键问题，并最终通过综合 无人机各个子系统的功能和性能，最大限度克服其自身弱点，充分发挥其优势，是设计无人 机多模态控制系统时面临的问题。发明 内 容本发明的目的是提出一种无人机多模态控制与切换方法，针对无人机本身及其飞行任务 的特点，确定和划分飞行控制系统的控制模态，实现多模态控制管理，同时抑制不同模态控 制规律转换时飞机的瞬态响应。本发明的多模态控制与切换方法通过以下步骤实现步骤一确定和划分飞行控制系统的控制模态。依据遥控操纵信号对于飞行控制系统的作用程度及作用效果的不同，本发明将飞行控制 系统的控制模态划分为自主控制、人工修正控制、指令控制、带内回路遥控和不带内回路 遥控五种控制模态。自主控制模态下无人机自动完成起飞、沿预定航线飞行、下滑、着陆等动作。其中，内 回路控制器主要实现了对无人机性能及飞行品质的改善，如增加无人机的阻尼和稳定性，改 善无人机的操纵性等等。外回路控制器实现了对无人机的轨迹运动的控制，使得无人机达到 期望的运动状态。整个自主控制，莫态由飞行控制系统自行完成。人工修正控制模态与自主控制模态具有相同的控制器，并在自主控制模态基础上加入了 人工修正信号。在自主控制不能达到满意的控制效果时，可以通过由遥控操纵量进行相应的 比例转换得到的修正量对自主控制进行适当的修正，从而达到对控制效果修正的目的。指令控制模态与自主控制模态具有相同的控制器，并在自主控制模态基础上加入了指令 控制信号，是指无人机在巡航过程中，根据当时的实际情况需要通过指令控制改变无人机的 飞行状态或飞行位置的一种控制模态，指令控制模态不改变自主控制模态下的控制结构，只 是通过某些任务指令实现对外回路控制期望值的更改。带内回路遥控模态是无人机飞行中的一种备份飞行模态。当无人机釆用该模态时，遥控 操纵信号与内回路控制信号叠加后的共同作用使得无人机能够在轨迹运动测量部件失效的情 况下继续飞行。不带内回路遥控模态是无人机飞行中的另 一种备份飞行模态。当无人机釆用该模态时， 遥控操纵信号直接作用于无人机的舵回路，使得无人机能够在姿态及角速率测量部件失效的 情况下继续飞行。步骤二实现多f莫态控制管理。自主控制模态为基本模态，人工修正控制模态主要针对起飞/着陆时的精确姿态和轨迹的飞行控制，指令控制模态根据飞行任务确定，带内回路遥控和不带内回路遥控模态为备份模态。各模态之间的切换可以通过操纵员发送相应的指令实现，其中，向指令控制或人工修正 控制这两种模态转换时应首先将当前控制模态切换至自主控制模态。在测控数据链路出现故 障时，系统应自动将当前模态转换至自主控制模态。步骤三抑制不同模态控制规律转换时飞机的瞬态响应。当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向带内回路遥控模态切换时，在内回路输入处进行软化处理；当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向不带内回路遥控模态切换时，以及带内回路遥控和不带内回路遥控两种遥控模态之间发生切换时，在舵回路输入处进行软 化处理。软化处理方法可以根据实际情况选择。本发明提出的无人机多模态控制与切换方法的优点在于(1)为无人机的多模态控制提供完整的解决方案；(2)使得无人机在完成全自主飞行的同时，接收任务指令完成相应动作； (3)使得操控人员在无人机的起降阶段能够实施有效的协调控制；(4)提供备份工作模态 保证飞行的安全性；(5)各纟莫态之间的切换安全可靠，易于实现；(6)抑制不同模态切换时 飞机的瞬态响应，保证飞行安全。
图1是自主控制模态下飞行控制系统结构示意图；图2是人工修正控制模态下飞行控制系统结构示意图；图3是指令控制模态下飞行控制系统结构示意图；图4是带内回路遥控申莫态下飞行控制系统结构示意图；图5是不带内回路遥控禾莫态下飞行控制系统结构示意图；图6是控制模态切换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的多模态控制与切换方法作进一步说明。本发明的多f莫态控制与切换方法通过以下步骤实现步骤一确定和划分飞行控制系统的控制t莫态。早期的无人机曾被称为RPV (Remote Pilot Vehicle),即遥控驾驶飞行器，完全由地 面遥控飞行。随着科学技术的不断发展，全自主飞行的无人机已经出现。在全自主飞行的过程中，遥控操纵信号对于无人机的飞行仍然起到不同程度的作用。由于无人机执行任务的需 求，在飞行的过程中，地面操纵人员可以通过遥控操纵信号来决策飞机完成盘旋、8字飞、 机动飞行、即定高飞行等动作；相对于空中飞行，飞机的起飞/着陆阶段是风险较大的精确姿 态和轨迹的飞行控制阶段，必须保证地面操控人员能够对飞机方便的实施有效协调的控制； 考虑飞行控制系统中可能出现的故障，还应提供备份工作控制^莫态，即在某些测量部件失效、 飞机无法进行自主飞行的情况下继续飞行，此时遥控操纵信号将在飞行控制系统中起到更为 重要的作用。依据遥控操纵信号对于飞行控制系统的作用程度及作用效果的不同，本发明中将无人机 的多模态控制系统划分为自主控制、人工修正控制、指令控制、带内回路控制和不带内回路 控制五种控制模态，下面分别介绍各种控制模态的控制过程。1) 自主控制模态自主控制模态下飞行控制系统结构示意图如图l所示。该+莫态下飞机自动完成起飞、沿 预定航线飞行、下滑、着陆等动作。其中，内回路控制器主要实现了对飞机性能及飞行品质 的改善，如增加飞机的阻尼和稳定性，改善飞机的操纵性等等。外回路控制器实现了对飞机 的轨迹运动的控制，使得飞机达到期望的运动状态。具体的控制流程可以表述为无人机的轨迹运动信息由轨迹运动测量部件采集，经过导 航算法模块处理后输入至外回路控制器，无人机的姿态及角运动信息由姿态及角速率测量部 件感受并同外回路控制器的输出一起输入至内回路控制器，内回路控制器输出的舵偏指令输 入至舵回路最终控制无人机按照期望的姿态及轨迹飞行。整个飞行控制过程由飞行控制系统 自行完成。2) 人工修正控制模态人工修正控制模态下飞行控制系统结构示意图如图2所示。该丰莫态与自主控制模态具有 相同的控制器，在此基础上加入了人工修正信号。如图2所示，人工修正信号与外回路控制 器的输出、无人机的姿态及角运动信息一起输入至内回路控制器。所述的人工修正信号是通 过由遥控操纵量进行相应的比例转换得到的修正量。在自主控制不能达到满意的控制效果时， 可以通过该修正量对自主控制进行适当的修正，从而达到对控制效果即轨迹运动、姿态及角 运动进行修正的目的。人工修正控制模态主要针对起飞和着陆阶段，实现时对应不同飞行阶段的控制需要，可列出相应的人工修正量，并根据线性对应关系折算出人工修正量与操纵量的比例系数。例如， 若在着陆滑跑过程中期望通过方向舵遥控操纵量来对飞机相对于机场跑道中心线的侧偏距进 行修正，令人工修正量的修正范围为-50 50m，而方向舵操纵量范围为0~255，则可以 得到该比例系数为人工修正量的修正范围除以方向舵操纵量范围即100/255，通过实际的操 纵量乘以该比例系数则得到期望的修正量。3) 指令控制模态指令控制模态下飞行控制系统结构示意图如图3所示。指令控制模态与自主控制模态具 有相同的控制器，只是自主控制模态基础上加入了指令控制信号，指令控制模态是指飞机在 巡航过程中，根据当时的实际情况需要通过指令控制改变飞机的飞行状态或飞行位置的一种 控制模态，它不改变自主控制模态下的控制结构，只是通过某些任务指令实现对外回路控制 期望值的更改。如图3所示，任务指令信号与无人机的轨迹运动信息经过导航算法模块处理 后输入至外回路控制器。实现时，针对飞行任务需要，可相应设置一些指令控制类指令。例如"左盘旋"、"右盘 旋"、"8字飞"、"定髙"、"取消定高"、"恢复航线"等。进入指令控制模态的条件是发送"左盘旋"、"右盘旋"、"8字飞"、"定高"、"定速"等指 令。当需要飞机进行空中盘旋动作时，发送"左盘旋"、"右盘旋"、"8字飞"等侧向指令使 得导航算法模块以相应箅法得到新的侧偏距和侧偏移速度信号，输入至外回路控制器，从而 控制飞机进行盘旋飞行；当需要飞机进行既定高飞行时，地面发送"定高"指令，使得导航 算法模块以收到"定高"指令时刻的飞行髙度为期望高度进行解算得到新的高度差信号，输 入至外回路控制器，从而控制飞机按当前既定高度飞行。退出指令控制模态的条件是发送"取消定高"、"恢复航线"等指令。发送"取消定高"指令时，从"定髙"指令控制中退出，期望高度取为目标航路点的高度；发送"恢复航线"指令时，从侧向指令控制中退出，导航算法模块以自主控制模态下算法得到侧偏距和侧偏移 速度信号。4) 带内回路遥控模态带内回路遥控模态下飞行控制系统结构示意图如图4所示。带内回路遥控模态是无人机 飞行中的一种备份飞行模态。如图4所示，遥控操纵信号与无人机的姿态及角运动信息一起 输入至内回路控制器。采用该模态时，飞机能够在轨迹运动测量部件失效的情况下继续飞行。实现时需要根据线性对应关系折算出内回路控制器输入指令与操纵量的比例系数。例如，纵向内回路的输入为期望俯仰角，其数据范围为一15°~+15°，而升降舵操纵量范围为0~ 255，则可以得到该比例系数为期望俯仰角数据范围除以升降舵操纵量范围即30/255。通过实际的操纵量乘以该比例系数则得到期望的纵向内回路控制器的输入，经过内回路控制规 律解算出相应的舵偏控制指令。5)不带内回路遥控模态不带内回路遥控模态下飞行控制系统结构示意图如图5所示。不带内回路遥控模态是无 人机飞行中的另一种备份飞行模态。如图5所示，遥控操纵信号直接输入至舵回路。当飞机 釆用该模态时，飞机能够在轨迹运动测量部件、姿态及角速率测量部件均失效的情况下继续 飞行。实现时需要根据线性对应关系折算出舵面偏转指令与操纵量的比例系数。例如，升降舵 面偏转角度的数据范围为—30°~ + 30°，而升降舵操纵量范围为0 255，则可以得到该比例 系数为升降舵面偏转角度的数据范围除以升降舵操纵量范围即60/255。通过实际的操纵量 乘以该比例系数则得到相应的舵偏控制指令。步骤二实现多，莫态控制管理。以上5种控制模态可以满足无人机的各种飞行状态需求，其中根据无人机的特点，自主 控制模态为基本模态，人工修正控制模态主要针对起飞/着陆等精确姿态和轨迹的飞行控制阶 段，指令控制模态根据飞行任务确定，带内回路遥控和不带内回路遥控模态为备份模态。图 6给出了所有可以进行的模态之间的切换，图6中箭头方向表示模态之间的转换方向。各模态之间的切换可以依据操纵员根据飞行任务或是根据当前的飞行状态来主动选择，也可以依 据系统的状态自动进入。 1)通过发送指令实现图6中出现的转换通过操纵员发送相应的指令均可以实现。需要说明是，指令控制和人 工修正控制这两种t莫态都是在自主控制的基础上实现的，在向这两种禾莫态进行转换时，为了 保证飞行的安全性，应首先将控制模态切换至自主控制模态。具体可按图6中标号顺序说明 如下 自主控制模态下，在飞机巡航阶段发送指令控制类指令中的任意一个均可转入指令控 制模态。② 指令控制模态下，发"自主控制"指令，可转入自主控制+莫态。③ 自主控制模态下，发"人工修正"指令，可转入人工修正控制模态。
人工修正控制*莫态下，发"自主控制"指令，可转入自主控制纟莫态。 ⑤自主控制模态下，发"姿态遥控"指令，可转入带内回路遥控模态。
带内回路遥控模态下，发"自主控制"指令，可转入自主控制模态。 ⑦自主控制模态下，发"舵面遥控"指令，可转入不带内回路遥控模态。 ⑤不带内回路遥控模态下，发"自主控制"指令，可转入自主控制模态。' ②带内回路遥控模态下，发"舵面遥控"指令，可转入不带内回路遥控模态。
不带内回路遥控*莫态下，发"姿态遥控"指令，可转入带内回路遥控模态。o人工修正控制模态下，发"姿态遥控"指令，可转入带内回路遥控t莫态。 @人工修正控制+莫态下，发"舵面遥控"指令，可转入不带内回路遥控l莫态。 @指令控制模态下，发"姿态遥控"指令，可转入带内回路遥控模态。 o指令控制模态下，发"舵面遥控"指令，可转入不带内回路遥控模态。 所述的指令均由地面操控者发出并通过测控链路上传至无人机。2)自动实现在测控数据链路出现故障时需依据系统状态自动进行模态间的切换。由于链路故障导致 操纵员无法通过遥控指令对飞机进行模态切换控制，此时飞行控制系统应自动将当前模态转 为自主控制模态。步骤三抑制不同模态控制规律转换时飞机的瞬态响应。模态切换时，由于控制规律的变化，使得切换前和切换后的舵面指令不同，进而使得飞 机响应在切换瞬间发生突变，因此需要设计相应的切换瞬态响应抑制算法。1) 指令控制、人工修正控制与自主控制之间的转换由于指令控制和人工修正控制这两种模态与自主控制模态采用了相同的控制器，只是控 制算法的输入量不同，因此不会产生舵面的突变，转换时不需要进行软化处理。2) 自主控制、指令控制、人工修正控制与带内回路遥控之间的转换当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向带内回路遥控模态切换时，这四种模态具 有相同的内回路控制器的结构和参数，需要在内回路控制器输入处进行软化处理。3) 自主控制、指令控制、人工修正控制、带内回路遥控与不带内回路遥控之间的转换当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向不带内回路遥控模态切换时，以及带内回路遥控与不带内回路遥控两种遥控+莫态之间发生切换时，需要在舵回路输入处进行软化处理。所述的在内回路控制器输入处和舵回路输入处进行的软化处理方法可根据实际情况选 择，例如，可以选择线性软化方法。假设控制律A的输出 (/)，控制律B的输出为w(O。为当控制律由A转至B时，在控制律总输出口总体平滑瞬变过程，即利用软化环节使被切换 的模态A逐渐淡出，需接入的模态B逐渐淡入。切换过程中，系统所执行的控制律输出为<formula>formula see original document page 11</formula>其中，t为软化开始后记录的时间，T为软化时限。切换时的平缓程度可以通过选择软化 时限T来进行调节，软化时限T越长，过渡过程越平缓。
权利要求
1、一种无人机多模态控制与切换方法，其特征在于通过以下步骤实现步骤一确定和划分飞行控制系统的控制模态；依据遥控操纵信号对于飞行控制系统的作用程度及作用效果的不同，将飞行控制系统划分为自主控制、人工修正控制、指令控制、带内回路遥控和不带内回路遥控五种控制模态；步骤二实现多模态控制管理；自主控制模态为基本模态，人工修正控制模态主要针对起飞/着陆时的精确姿态和轨迹的飞行控制，指令控制模态根据飞行任务确定，带内回路遥控和不带内回路遥控模态为备份模态；各模态之间的切换可以通过操纵员发送相应的指令实现，在测控数据链路出现故障时飞行控制系统自动转换当前模态至自主控制模态；步骤三抑制不同模态控制规律转换时无人机的瞬态响应；当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向带内回路遥控模态切换时，在内回路控制器输入处进行软化处理；当自主控制、指令控制和人工修正控制模态向不带内回路遥控模态切换时，以及带内回路遥控和不带内回路遥控两种遥控模态之间发生切换时，在舵回路输入处进行软化处理。
2、 根据权利要求1所述的一种无人机多模态控制与切换方法，其特征在于自主控制，莫态是指无人机自动完成起飞、沿预定航线飞行、下滑、着陆等动作，整个控制过程由飞行控制系统自行完成；人工修正控制模态与自主控制模态具有相同的控制器，并在自主控制模态基础上加 入了人工修正信号；指令控制模态与自主控制模态具有相同的控制器，并在自主控制模态基础上加入了 指令控制信号，是指无人机在巡航过程中，根据当时的实际情况需要通过指令控制改变 无人机的飞行状态或飞行位置；带内回路遥控l莫态是一种备份飞行模态，当无人机采用该模态时，遥控操纵信号与 内回路控制信号叠加后的共同作用使得无人机能够在轨迹运动测量部件失效的情况下继 续飞行；不带内回路遥控模态是另一种备份飞行模态，当无人机采用该模态时，遥控操纵信号直接作用于飞机的舵回路，使得无人机能够在轨迹运动测量部件、姿态及角速率测量 部件均失效的情况下继续飞行。 3、根据权利要求1所述的一种无人机多模态控制与切换方法，其特征在于操纵员通过发 送相应的指令向指令控制和人工修正控制这两种模态转换时，应首先将控制模态切换至 自主控制模态。
全文摘要
本发明公开了一种无人机多模态控制与切换方法，依据遥控操纵信号对于飞行控制系统的作用程度及作用效果的不同，确定和划分飞行控制系统的控制模态为自主控制、人工修正控制、指令控制、带内回路遥控和不带内回路遥控五种控制模态，自主控制模态为基本模态，人工修正控制模态主要针对起飞/着陆等精确姿态和轨迹的飞行控制阶段，指令控制模态根据飞行任务确定，带内回路遥控和不带内回路遥控模态为备份模态。各模态之间的切换可以依据操纵员根据飞行任务或是根据当前的飞行状态来主动选择，也可以依据系统的状态自动进入，从而实现多模态控制管理，同时抑制不同模态控制规律转换时飞机的瞬态响应。
文档编号G05D1/00GK101236434SQ20081010089
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月25日 优先权日2008年2月25日
发明者方晓星, 王宏伦, 王英勋 申请人:北京航空航天大学