专利名称：一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种具有简易传感器配置的小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置。
背景技术：
轮式起降型无人机在着陆进近过程中，必须精确跟踪期望的着陆轨迹，以安全可靠地在期望着陆点接地，完成着陆控制。自动拉平控制是轮式起降型无人机自主着陆过程的关键阶段，拉平控制是否精确、安全、可靠，直接影响了飞机着陆的精确、安全。
一般轮式起降型无人机的滑跑着陆过程包括定高、下滑、拉平、飘落及着陆滑跑等阶段，如图1所示。着陆前飞机先在机场的上空定高飞行，当截获下滑线后，飞机按一定的下滑角开始下滑，同时发动机保持慢车状态，这时高度和空速减小，到达一定高度后，开始拉平，飞机跟踪拉平轨迹下降，高度和空速继续缓慢减小，当飞机离地约0.5～1.0m，控制升降舵上偏使得飞机抬头。当飞机到达降落速度时，控制升降舵下偏使得飞机俯仰角减小，飞机最终由于重力大于升力飘落接地，进入着陆滑跑。
飞机在下滑过程中的升降速度一般约为-3m/s左右，而飞机着地允许的升降速度一般为-0.3m/s～-0.6m/s。因此，拉平控制的目的是将下滑时飞机的升降速度减小至允许的接地升降速度范围内，通常采用指数曲线作为拉平轨迹，以便飞机以较小的升降速度接地。
一般自动拉平控制结构如图2所示，要实现该控制结构，达到满意的控制效果，需要准确测量得到无人机的高度、升降速度、升降加速度、俯仰角和俯仰角速率，这种控制结构通常适用于传感器配置完备的大型无人机，不适用于简易传感器配置的小型无人机。其中，简易传感器配置是指配置的传感器只能满足基本测量需求，测量精度不高，也没有余度。
常用的测量高度的传感器一般是大气机、无线电高度表、GPS等，这几种传感器的测量原理不同，各有其适用范围大气机通过测量大气压力(常称静压)解算得到气压高度，但气压高度测量精度不是很高，通常适用于机场附近的飞行，大气机还可测量升降速度和空速，但升降速度的测量精度也不高，不能满足自动拉平控制的要求；无线电高度表则通过测量电磁波反射地面的时间，并根据无线电传播速度解算得到高度和升降速度，这种方法测量的数据精度高，但只限于低高度使用，适用于起飞着陆过程；GPS测量的是地理高度，适用于执行任务时的巡航飞行使用，GPS也可测量得到升降速度，但其高度和升降速度精度也不能满足自动拉平控制的使用要求。常用的测量升降加速度的传感器一般是惯导、加速度计，测量俯仰角和俯仰角速率的装置一般是惯导、垂直陀螺、速率陀螺，或一些组合型的陀螺组件。
对于简易传感器配置的小型无人机，为了降低成本，系统组成会比较简单，一般只配置满足基本测量需求的高度传感器、空速传感器、俯仰角和俯仰角速率传感器等，如大气机和陀螺组件，而不会配置专门用于自动起飞着陆控制的无线电高度表，更不会配置像惯导这样价格昂贵的设备，因此简易配置传感器的无人机不能提供满足一般自动拉平控制结构所需的升降速度信息和升降加速度信息，一般的自动拉平控制方法不适用于简易配置的小型无人机自动着陆。
另外，考虑到在起飞和着陆阶段，无人机的速度比较小、高度比较低，气流的变化(主要是风)对无人机飞行的影响非常明显，且控制系统中传感器的误差是使得控制发生偏差的另一个重要原因，这些不确定因素的影响将会使得自动控制效果不是那么理想。
一般具有自动控制功能的无人机，当自动控制系统出现某些问题时，操纵手可利用遥控操纵杆，通过无线数据链将遥控控制指令发送给飞机，从而实现对飞机的遥控操纵。一般的遥控操纵通常有四个操纵杆量升降舵操纵杆量、方向舵操纵杆量、副翼操纵杆量和节风门操纵杆量，分别对应升降舵控制指令、方向舵控制指令、副翼控制指令和节风门控制指令。这里，可以利用升降舵操纵杆量和节风门操纵杆量对控制目标值的修正，实现对自动控制效果的修正，使得最终的控制效果更为精确，使这种简易传感器配置下的自动拉平控制方法能够适应不确定因素的影响，具有更强的抗干扰性，提高着陆的安全性。
发明内容
本发明的目的是提出一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，利用该控制方法及其控制装置，能够使具有简易传感器配置的小型无人机在进行轮式滑跑回收过程中具有很好的纵向着陆精度和适应能力，提高无人机的着陆安全性。
为了达到上述目的，本发明利用简易传感器配置小型无人机的飞行高度、俯仰角、俯仰角速率以及空速信息，分别对无人机的俯仰角、空速进行控制，同时采集遥控操纵杆的升降舵操纵杆量和节风门操纵杆量分别对俯仰角和空速进行修正，最终实现无人机的自动拉平控制。本发明将自动着陆拉平控制装置分为俯仰角控制回路和空速控制回路两个控制模块，其中俯仰角控制回路由俯仰角和俯仰角速率传感器、高度传感器、期望俯仰角计算单元、期望俯仰角修正单元、俯仰角控制单元、升降舵组成；空速控制回路由空速传感器、高度传感器、期望空速计算单元、期望空速修正单元、空速控制单元、发动机组成。实现小型无人机的自动拉平控制具体包括以下六个步骤 步骤一实现期望俯仰角计算环节，得到期望俯仰角
根据无人机的飞行高度h(t)、开始拉平时的期望俯仰角
接地时的期望俯仰角
开始拉平时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望俯仰角
如式(1)所示
步骤二实现期望俯仰角修正环节，得到含有俯仰角修正量
的期望俯仰角
1)根据俯仰角修正上下边界值
和
升降舵操纵杆量上下边界值δzup和δzdw，得到俯仰角修正系数
如式(2)所示
2)根据俯仰角修正系数
和升降舵操纵杆量δzpro(t)，得到俯仰角修正量
如式(3)所示
3)根据期望俯仰角
计算含有修正量
的期望俯仰角
如式(4)所示
步骤三实现俯仰角控制环节，得到升降舵控制指令δz(t)； 根据无人机的俯仰角
含有修正的期望俯仰角
无人机的俯仰角速率ωz(t)以及相应的控制参数
得到升降舵控制指令δz(t)，如式(5)所示
步骤四实现期望空速计算环节，得到期望空速vg(t)； 根据无人机的飞行高度h(t)、开始拉平时的期望空速vgF、接地时的期望空速vgL、开始拉平时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望空速vg(t)，如式(6)所示 步骤五实现期望空速修正环节，得到含有空速修正量的期望空速v＇ksemt(t)； 1)根据空速修正上下边界值vkup和vkdw、节风门操纵杆量上下边界值δpup和δpdw，得到空速修正系数Kvx，如式(7)所示 2)根据空速修正系数Kvx和节风门操纵杆量δpro(t)，得到空速修正量vgsemi(t)，如式(8)所示 vgsemi(t)＝Kvxδppro(t) (8) 3)根据期望空速vg(t)，计算含有修正量的期望空速vg＇(t)，如式(9)所示 vg＇(t)＝vgsemi(t)+vg(t) (9) 步骤六实现空速控制，得到节风门控制指令δp(t)； 根据无人机的空速vk(t)、含有修正的期望空速vg＇(t)以及相应的控制参数Kp、KpI，得到节风门控制指令δp(t)，如式(10)所示 本发明提出的小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置的优点在于 (1)适用于小型无人机自动着陆拉平控制，尤其适用于简易传感器配置的小型无人机，能够达到较高的纵向着陆精度要求，具有良好的控制效果； (2)遥控操纵人员可分别通过升降舵操纵杆和节风门操纵杆对俯仰角和空速控制进行修正，为遥控操纵手干预自动拉平控制提供了通道，能够提高飞机的抗干扰能力，达到适应多变情况的控制效果，有效提高着陆安全性； (3)利用本发明提出的期望俯仰角和期望空速的计算方法，可使无人机能够实现缓慢拉平的目的，尤其在低高度时，能够达到理想的接地速度和合适的俯仰角，有利于飞机的安全着陆。
图1是通常无人机整个着陆过程示意图； 图2是通常的无人机自动着陆拉平控制结构示意图； 图3是本发明中小型无人机自动着陆拉平控制结构示意图； 图4是某无人机自动着陆拉平控制飞行高度仿真曲线图； 图5是某无人机自动着陆拉平控制升降速度仿真曲线图； 图6是某无人机自动着陆拉平控制俯仰角仿真曲线图； 图7是某无人机自动着陆拉平控制空速仿真曲线图。
具体实施例方式 下面结合附图和实例对本发明的无人机自动着陆拉平控制方法作进一步说明。
如图3所示，本发明提供的小型无人机自动着陆拉平控制方法中所设计的控制装置由俯仰角控制回路1、空速控制回路2两个控制模块组成。
其中，俯仰角控制回路1由俯仰角及俯仰角速率传感器101、高度传感器102、期望俯仰角计算单元103、期望俯仰角修正单元104、俯仰角控制单元105及升降舵106组成。期望俯仰角计算单元103根据高度传感器102采集的无人机3的高度信息计算得到期望俯仰角
该期望俯仰角与升降舵操纵杆量δzpro(t)对应的俯仰角修正量
一起送至期望俯仰角修正单元104，得到含有修正量的期望俯仰角
无人机3的俯仰角及俯仰角速率信息由相应俯仰角及俯仰角速率传感器101采集并与含有修正量的期望俯仰角
同送至俯仰角控制单元105，俯仰角控制单元105输出的升降舵控制指令δz(t)再输出至升降舵106，进而实现无人机3的俯仰角控制。
空速控制回路2由空速传感器201、高度传感器102、期望空速计算单元202、期望空速修正单元203、空速控制单元204、发动机205组成，期望空速计算单元202根据高度传感器102采集的无人机3的高度信息计算得到期望空速vg(t)，该期望空速vg(t)与节风门操纵杆量δppro(t)对应的空速修正量vgsemi(t)一起送至期望空速修正单元203，得到含有修正量的期望空速
通过空速传感器201采集得到的无人机3的空速信息与含有修正量的期望空速
一起输入至空速控制单元204，空速控制单元204输出的发动机节风门控制指令δp(t)输入至发动机205，进而实现无人机的空速控制。
本发明还提供一种小型无人机自动着陆拉平控制方法，具体通过以下步骤实现 步骤一实现期望俯仰角计算环节，得到期望俯仰角
飞机在垂直平面内，从下滑过渡到实际着陆点的纵向运动轨迹称之为拉平轨迹，拉平轨迹的设计，是使得飞机的升降速度
随着高度h(t)的下降而相应减小，飞机的每个瞬间的升降速度和它当前的高度成比例，为此，一般将拉平轨迹设计为指数曲线，使飞机沿着设计的指数轨迹飞行，满足式(11)或式(12)所表示的规律 式中，hg(t)为期望高度，l(t)为拉平距离，hF为拉平开始时的高度，τ为指数曲线时间常数。
由于机上测距装置测出的拉平距离l(t)的精度不能满足自动拉平控制的要求，因此，一般采用式(12)所示的规律 式中，
为期望升降速度，
为接地时的期望升降速度，τ为指数曲线时间常数。
由飞机开始拉平时的高度hF和升降速度
以及飞机接地时的期望升降速度
即可确定指数曲线时间常数τ，如式(13)所示 因此，拉平过程中期望的升降速度
可以表示为式(14) 式(14)所表示的意义，是将整个拉平的过程看作飞机的升降速度不断跟踪期望升降速度的过程，要实现这个设计思想，需要获得精度足够高的升降速度信息，通常使用的是无线电高度表测量得到的升降速度信息，但是对于简易传感器配置的无人机，其配置的升降速度传感器通常是大气机，大气机所测量的升降速度信息的精度不能满足自动拉平控制的要求。现在，必须在可用的信息基础上寻找办法。
在整个拉平过程中，最终控制的效果，是要使得飞机的升降速度慢慢减小，最终达到理想的接地速度，根据飞机飞行动力学理论，可知通过改变无人机的俯仰角，可以引起迎角的改变，进而引起升力的变化，则升降速度也发生变化，因此可以通过改变飞机的俯仰角来达到间接改变升降速度的目的。
另外，通常自动控制方法的设计，都是针对无人机的质心的受力进行的，在实际的着陆控制过程中，轮式起降的无人机在地面滑跑时其质心距离地面有一定的高度，即接地时的高度hL，而并不是0，要获得更为精确的控制效果，应该在飞行高度h(t)中减去hL。如果忽略起落架在滑跑过程中的压缩变形量与飞机停在地面时的压缩变形量之间的微小差别，那么可用认为hL即是飞机停在地面时质心距离地面的高度。
根据无人机的飞行高度h(t)、开始拉平时的期望俯仰角
接地时的期望俯仰角
开始拉平时的高度hF、接地时的高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望俯仰角
如式(1)所示
设计俯仰角控制环节的过程中，可以根据无人机的气动数据建立相应的全量数学模型，并依据小扰动线性化方法得到相应的线性化方程，利用控制理论中的经典控制方法选取
hF，然后利用无人机全量数学模型验证所设计的控制结构和参数是否能够使得系统满足控制要求。其中，建立无人机全量数学模型、小扰动线性化方法以及经典控制方法在飞控专业相关书籍中均有详细描述。
步骤二实现期望俯仰角修正环节，得到含有俯仰角修正量
的期望俯仰角
1)根据俯仰角修正上下边界值
和
升降舵操纵杆量上下边界值δzup和δzdw，得到俯仰角修正系数
如式(2)所示
在设计过程中，根据前述设计俯仰角控制环节时的方法选取并确定
和
通常，升降舵操纵杆量下边界值δzdw＝0，升降舵操纵杆量上边界值δzup则由升降舵操纵杆的模数转换位数n决定，δzup＝2n-1，n一般为8～12之间的正整数。例如，通常的遥控操纵杆的模数转换位n为8，则δzup＝255。
2)根据俯仰角修正系数
和升降舵操纵杆量δzpro(t)，得到俯仰角修正量
如式(3)所示
3)根据期望俯仰角
计算含有修正量的期望俯仰角
如式(4)所示
步骤三实现俯仰角控制环节，得到升降舵控制指令δz(t)； 根据无人机的俯仰角
含有修正的期望俯仰角
无人机的俯仰角速率ωz(t)以及相应的控制参数
得到升降舵控制指令δz(t)，如式(5)所示
控制参数
是在前述的俯仰角控制环节设计的过程选取并确定的。
步骤四实现期望空速计算环节，得到期望空速vg(t)； 根据无人机的飞行高度、开始拉平时的期望空速vgF、接地时的期望空速vgL、开始拉平时的高度hF、接地时的高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望空速vg(t)，如式(6)所示 空速控制环节的设计，与前述俯仰角控制环节的设计过程相同，可以根据无人机的气动数据建立相应的全量数学模型，并依据小扰动线性化方法得到相应的线性化方程，利用控制理论中的经典控制方法选取vgF、vgL，然后利用无人机全量数学模型验证所设计的控制结构和参数是否能够使得系统满足控制要求。
步骤五实现期望空速修正环节，得到含有空速修正量的期望空速； 1)根据空速修正上下边界值vkup和vkdw、节风门操纵杆量上下边界值δpup δpdw，得到空速修正系数Kvx，如式(7)所示 其中，vkup、vkdw在前述的空速控制环节设计的过程中选取并确定。
通常，节风门操纵杆量下边界值δpdw＝O，节风门操纵量上边界值δpup则由节风门操纵杆的模数转换位数m决定，即δpup＝2m-1，m一般为8～12之间的正整数。例如，通常的遥控操纵杆的模数转换位m为8，则δpup＝255。
2)根据空速修正系数Kvx和节风门操纵杆量δppro(t)，得到空速修正量vgsemi(t)，如式(8)所示 vgsemi(t)＝Kvxδppro(t) (8) 3)根据期望空速vg(t)，计算含有修正量的期望空速vg＇(t)，如式(9)所示 vg＇(t)＝vgsemi(t)+vg(t)(9) 步骤六实现空速控制环节，得到节风门控制指令δp(t)； 根据无人机的空速vk(t)、含有修正的期望空速vg＇(t)以及相应的控制参数Kp、KpI，得到节风门控制指令，如式(10)所示 其中，控制参数Kp、KpI是根据前述设计空速控制环节时的方法选取并确定。
本发明提供的小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，将其应用于某无人机的自动着陆过程控制，该无人机为小型轮式起降型无人机，安装了大气机和陀螺组件，以获得高度、空速、俯仰角、俯仰角速率等满足基本控制需要的传感器信息，该无人机的拉平过程采用了本发明提供的自动拉平控制方法及其控制装置，实现了自动拉平控制，达到了满意的效果，提高了飞机着陆的安全性。
图4、图5、图6、图7分别为该无人机自动着陆拉平控制飞行高度、升降速度、俯仰角及空速的仿真曲线图。该无人机的开始拉平时的高度hF＝17m，开始拉平的期望俯仰角
度，开始拉平时期望空速vgF＝25m/s，接地时的高度hL＝0.3m，接地时期望俯仰角
度，接地时的期望空速vgL＝19m/s。由图4～图7可以看到，在仿真过程中，无人机约在717s时刻开始进入拉平，之后高度开始缓慢减小，直到完成整个拉平过程，与之对应的升降速度、俯仰角及空速也在拉平过程中逐渐减小，尤其在慢慢接近地面的时候，俯仰角和升降速度减小得越来越缓慢，接地时的升降速度控制在-0.5m/s左右，俯仰角也达到2度左右，使得飞机能够安全平稳地接地，完全达到了预期的控制效果。
本发明所述的小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，充分利用简易传感器配置下小型无人机的俯仰角、俯仰角速率、空速、高度等信息，采用俯仰角控制与空速控制结合的方法，实现了自动拉平控制的目的；同时，本发明提出的期望俯仰角和期望空速的计算方法，使得在缺少高精度的升降速度信息的情况下，同样能够满足无人机拉平过程空速、升降速度缓慢减小并安全接地的要求，提高着陆的安全性。另外，通过将升降舵操纵杆量和节风门操纵杆量分别引入到期望俯仰角和期望空速的计算中，使得遥控操纵手能够根据需要，通过操纵遥控操纵杆对自动拉平控制的效果进行修正，提高了应对异常情况的处理能力，能够提高无人机着陆的可靠性，使无人机更能适应多变的情况。
权利要求
1、一种小型无人机自动着陆拉平控制方法，其特征在于按照以下步骤实现
步骤一实现期望俯仰角计算环节，得到期望俯仰角
根据无人机的飞行高度h(t)、拉平开始时的期望俯仰角
接地时的期望俯仰角
拉平开始时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望俯仰角
如式(1)所示
步骤二实现期望俯仰角修正环节，得到含有俯仰角修正量
的期望俯仰角
1)根据俯仰角修正上下边界值
和
升降舵操纵杆量上下边界值δzup和δzdw，得到俯仰角修正系数
如式(2)所示
2)根据俯仰角修正系数
和升降舵操纵杆量δzpro(t)，得到俯仰角修正量
如式(3)所示
3)根据期望俯仰角
，计算含有修正量的期望俯仰角
，如式(4)所示
步骤三实现俯仰角控制环节，得到升降舵控制指令δz(t)；
根据无人机的俯仰角
、含有修正的期望俯仰角
无人机的俯仰角速率ωz(t)以及相应的控制参数
得到升降舵控制指令δz(t)，如式(5)所示
步骤四实现期望空速计算环节，得到期望空速vg(t)；
根据无人机的飞行高度h(t)、拉平开始时的期望空速vgF、接地时刻的期望空速vgL、拉平开始时的高度hF、接地高度hL，得到拉平过程中飞行高度h(t)对应的期望空速vg(t)，如式(6)所示
步骤五实现期望空速修正环节，得到含有空速修正量的期望空速v＇g(t)；
1)根据空速修正上下边界值vkup和vkdw、节风门操纵量上下边界值δpup和δpdw，得到空速修正系数Kvx，如式(7)所示
2)根据空速修正系数Kvx和节风门操纵杆量δppro(t)，得到空速修正量vgsemi(t)，如式(8)所示
vgsemi(t)＝Kvxδppro(t) (8)
3)根据期望空速vg(t)，计算含有修正量的期望空速vg＇(t)，如式(9)所示
vg′(t)＝vgsemi(t)+vg(t) (9)
步骤六实现空速控制，得到节风门控制指令δp(t)；
根据无人机的空速vk(t)、含有修正的期望空速vg＇(t)以及相应的控制参数Kp、KpI，得到节风门控制指令δp(t)，如式(10)所示
2、一种实现权利要求1所述的小型无人机自动着陆拉平控制方法的控制装置，其特征在于由俯仰角控制回路和空速控制回路两部分组成，其中俯仰角控制回路由俯仰角和俯仰角速率传感器、高度传感器、期望俯仰角计算单元、期望俯仰角修正单元、俯仰角控制单元、升降舵组成；期望俯仰角计算单元根据高度传感器采集的无人机的高度信息计算得到期望俯仰角
该期望俯仰角与升降舵操纵杆量δzpro(t)对应的俯仰角修正量
一起送至期望俯仰角修正单元，得到含有修正量的期望俯仰角
无人机的俯仰角及俯仰角速率信息由相应俯仰角及俯仰角速率传感器采集并与含有修正量的期望俯仰角
一同送至俯仰角控制单元，俯仰角控制单元输出的升降舵控制指令δz(t)再输出至升降舵，进而实现无人机的俯仰角控制；
空速控制回路由空速传感器、高度传感器、期望空速计算单元、期望空速修正单元、空速控制单元、发动机组成，期望空速计算单元根据高度传感器采集的无人机的高度信息计算得到期望空速vg(t)，该期望空速vg(t)与节风门操纵杆量δppro(t)对应的空速修正量vgsemi(t)一起送至期望空速修正单元，得到含有修正量的期望空速vg′(t)，通过空速传感器采集得到的无人机的空速信息与含有修正量的期望空速vg＇(t)一起输入至空速控制单元，空速控制单元输出的发动机节风门控制指令δp(t)输入至发动机，进而实现无人机的空速控制。
全文摘要
本发明公开了一种小型无人机自动着陆拉平控制方法及其装置，本发明将着陆拉平控制装置分为俯仰角控制回路和空速控制回路两部分，针对简易传感器配置下的无人机，无法获得满足精度要求的升降速度信息和升降加速度信息的情况，充分利用可用传感器信息，通过计算期望俯仰角g(t)、含修正的期望俯仰角g′(t)、期望空速vg(t)、含修正的期望空速vg′(t)、升降舵控制指令δz(t)、发动机节风门指令δp(t)等过程，来实现控制回路中的各个控制环节，达到自动着陆拉平控制的目的。同时，遥控操纵人员可根据实际情况，在拉平过程中通过操作升降舵操纵杆和节风门操纵杆，对自动拉平进行修正控制，有效提高飞机的抗干扰能力，提高飞机着陆的精确度。
文档编号G05D1/00GK101441478SQ20081024117
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月26日 优先权日2008年12月26日
发明者王英勋, 王宏伦, 张翠萍, 勇 王, 方小星 申请人:北京航空航天大学