专利名称：一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方法
技术领域：
本发明属于无人机自主飞行控制领域，具体地说，是指一种基于变桨矩发动机配 置的无人机遥控链路中断的处理方法。
背景技术：
发动机是动力装置的主要组成部分。航空发动机是将燃料的热能或其他形式的能 转变为机械能，为飞机或其他航空器提供飞行所需动力的装置。航空发动机的性能是决定 航空器性能的主要因素之一。飞机的飞行速度、飞行高度、航程、载重量和机动作战能力的 提高，在很大程度上取决于发动机的改进和发展。现代航空发动机具有推重比大，迎风面积 小，起动、加速快，适应机动飞行，使用维修简便，工作可靠等优点。航空发动机是飞机的心 脏，是飞机性能的决定因素之一。其主要功用是提供飞机运动所需的动力——“推力”或 “拉力”，用以克服飞机的惯性和空气阻力。随着无人机应用范围的扩展，对无人机发动机性能的要求也越来越高。对于小型 航空用活塞式发动机，要求具有体积小、升功率高、结构简单、使用维护方便等特性。特别是 随着科技的发展，对于无人机能够进行长时间工作的要求越来越高。对于高度和速度要求 不高的无人机，普遍选择螺旋桨作为推进方式，而螺旋桨所特有的低油耗等特点又满足了 航空无人机本身对动力系统的要求。螺旋桨可分为定距螺旋桨和恒速螺旋桨。对于小型 的活塞发动机来说，定距螺旋桨具有成本低，结构简单的特点，所以被广泛采用。螺旋桨桨 距是指螺旋桨在不打滑和效率不损失的情况下，每转动一圈向前移动的距离。桨距与桨叶 角(桨叶弦线与螺旋桨旋转面的夹角)互成比例。由于螺旋桨的桨叶角度是固定的即定距 的，这种定距螺旋桨常与发动机的功率不匹配，随着高度的变化，大气压力和密度也发生变 化，转速不是超转就是不够，而且起飞和着陆时的拉力(推力)不易控制。因此，后来将活 塞发动机驱动的螺旋桨改成变距可调的，即变距桨。这样，在无人机起飞、爬升或空中巡航 时，随时可通过遥控链路对桨矩进行调节，以与发动机的功率匹配，避免出现转速超转或不 够的现象。螺旋桨的变桨矩调节是通过机械结构实现的，由于存在间隙、受力变化等因素的 影响，每调节一次桨矩对转速的影响并不一样，比如某无人机的桨矩角每调节一次桨矩，桨 矩角变化0. 5度，对应转速的变化在50rpm 150rpm之间，也有调节一次桨矩而转速没有 发生明显变化的现象，这样就需要再调节一次，因此变桨矩调节与转速变化之间没有严格 的对应关系；如果根据转速自动调节桨矩角，则可能出现桨矩调节已经到极限位置，但转速 仍然不能满足要求的情况，从而造成调节机构持续工作，电机烧坏失效等事故。目前较为安 全的一种方式是操纵人员根据遥测下传的转速，通过测控地面站的遥控链路发送桨矩调节 指令。但在这种方式下，若遥控链路出现中断，则桨矩调节指令无法发送到无人机实施控 制，就无法及时根据发动机转速进行相应调节，容易出现超转或不够的现象，则发动机不是 拉缸就是停车，直接影响无人机的飞行安全。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于变桨矩发动机配置的无人机链路中断处理方法，利 用该方法，能够使配置变桨矩活塞发动机的无人机，自动应对在飞行过程中出现遥控链路 中断的情况，解决无法调节桨距的情况，提高无人机的飞行安全性。为了达到上述目的，本发明利用无人机的飞行高度、航路点的高度信息、调桨距初 始高度等信息，对遥控链路出现中断时无人机所处的状态进行分别处理，达到保障飞行安 全的目的。实现基于桨距调节的无人机遥控链路中断处理方法具体包括以下三个步骤步骤一根据发动机桨距调节特性确定调桨距初始高度，根据高度传感器测量范 围的上限，确定最大给定高度的初始值；步骤二 确定最大给定高度若遥控链路出现中断，根据无人机当前飞行高度、飞行的给定高度、调节桨距初始 高度之间的关系，重新确定最大给定高度；若遥控链路正常，则将最大给定高度保持为高度 传感器测量范围的上限；步骤三确定飞行给定高度在进行航点切换时，根据航线到点高度和最大给定高度的关系，确定无人机飞行 的给定高度，并通过升降舵实现高度控制；本发明提出的基于桨距调节的无人机遥控链路中断处理方法的优点在于适用于 配置变桨矩发动机的无人机，需在空中调节桨距，在出现遥控链路中断时，自动根据无人机 当时的飞行状态应对处理，提高了无人机飞行的安全性。
图1是本发明的方法示意图；图2是本发明的方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。如图1所示为本发明的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理 方法示意图。本发明根据无人机的初始调节桨距高度、飞行高度、飞行给定高度、航线到点 高度信息，确定飞行给定高度，通过升降舵指令使得无人机在遥控链路中断时无法通过遥 控链路调节桨距的情况下，仍然能够安全飞行。本发明的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方法，流程如图 2所示，通过以下三个步骤实现步骤一根据发动机桨距调节特性确定调桨距初始高度，根据高度传感器测量范 围的上限，确定最大给定高度的初始值，包括如下步骤1)根据无人机发动机性能和飞行性能，通过发动机台架试验，依据发动机桨距角， 无人机的爬升速度，以及当发动机到达额定功率的转速时，对应一个飞行高度，此后随着高 度的增加，将需要调节桨距角，则该飞行高度就可以确定为安全的初始桨距调节高度Hj ；这里针对实际使用的情况不同，具体有两种方法，一种是进行发动机台架试验时，针对不同的桨矩角和相应的爬升速度进行试验，找到当发动机到达额定功率时的转速对应 的飞行高度，这样每一个桨矩角和爬升速度对应一个飞行高度，即初始调节桨矩高度，然后 对这些初始调节桨矩高度取平均值，将该平均值确定为Hj ；另一种简单的方法是选择一个 无人机飞行常用的初始桨矩角，针对该桨矩角和爬升速度，找到相应的初始调节桨矩高度， 将该初始调节桨矩高度确定为Hj ；2)根据高度传感器的测量上限Hzd，确定初始最大给定高度Hz的初始值，Hz = Hzd ；步骤二 确定最大给定高度；在遥控链路出现中断时，根据无人机当前飞行高度Ho、飞行的给定高度Hg、调节 桨距初始高度Hj之间的关系，重新确定最大给定高度Hz，包括如下步骤(1)若遥控链路中断，则比较当前飞行的给定高度Hg与调桨距初始高度Hj 若Hg > Hj，则进入(2)；若Hg ^ Hj，则将最大给定高度值Hz改为调桨距初始高度值Hj，即Hz = Hj进入步骤三；若遥控链路正常，则最大给定高度Hz保持为高度传感器测量范围的上限 Hzd,即Hz = Hzd，进入步骤三；(2)比较当前飞行高度Ho和调节桨距初始高度Hj 若Ho>Hj，继续比较Hg和Ho， 进入(3)；若Ho彡Hj，则Hg = Hj，进入(4)；(3)若Hg > Ho，则将给定高度Hg改为当前的飞行高度Ho，即Hg = Ho，进入(4)； 若Hg彡Ho，则保持Hg不变，进入(4)；(4)将最大给定高度值Hz改为给定高度值Hg，即Hz = Hg，进入步骤三；步骤三确定飞行给定高度；在进行航点切换时，根据航线到点高度和最大给定高度的关系，确定无人机飞行 的给定高度，并根据飞行的给定高度进行高度控制，包括如下步骤①若进行航点切换，则比较到点给定高度Hx和最大给定高度值Hz，进入②；若不 进行航点切换，则保持Hg，进入③；②若Hx > Hz,则将给定高度Hg改为最大给定高度Hz，即Hg = Hz,进入③；若 Hx ^ Hz，则将给定高度值Hg改为到点给定高度Hx，即Hg = Hx,进入③；③根据飞行的给定高度，通过升降舵实现高度控制，高度控制律为Sz= Khp (H-Hg) + Khl fo(H-Hg)dt + K9& + Κωι ωζ ；其中，δ ζ为升降舵指令，H为无人机的飞行高度，Khp为高度控制比例系数，Khl为 高度控制积分系数，K0为俯仰角控制系数，是俯仰角速率控制系数，θ为俯仰角，(02为 俯仰角速率。实施例下面通过具体实施例数据来进一步说明本发明提供的基于桨距调节的无人机遥 控链路中断处理方法，本发明方法应用于某无人机自主飞行控制的具体步骤为步骤一根据发动机桨距调节特性确定调桨距初始高度，根据高度传感器测量范 围的上限，确定最大给定高度的初始值，包括如下步骤1)根据无人机发动机性能和飞行性能计算，确定一个安全的初始调节桨距高度 Hj ；
实施例中无人机发动机常用的将桨距角是16. 5度时，起飞后以速度为140km/h爬 升，当发动机到达额定功率的转速5500rpm时，对应的飞行高度是3000m，此后随着高度增 加，则需要调节桨距角，因此可以将初始桨距调节高度确定为3000m，即Hj = 3000m ；2)根据高度传感器的测量上限，确定初始最大给定高度Hz ；该无人机所装载的大气数据计算机的测量范围为-IOOOm 12000m，即Hzd = 12000m，则 Hz = 12000m ；步骤二 确定最大给定高度；在遥控链路出现中断时，根据无人机当前飞行高度Ho、飞行的给定高度Hg、调节 桨距初始高度Hj之间的关系，重新确定最大给定高度Hz，包括如下步骤(1)若遥控链路中断，比较当前飞行的给定高度Hg与调桨距初始高度Hj 若Hg> Hj，则进入(2)；若Hg SHj，则将最大给定高度值Hz改为调桨距初始高度值HjjPHz = Hj, 进入步骤三；若遥控链路正常，则最大给定高度Hz保持为高度传感器测量范围的上限Hzd， 即Hz = Hzd，进入步骤三；(2)比较当前飞行高度Ho和调节桨距初始高度Hj 若Ho>Hj，继续比较Hg和Ho， 进入(3)；若Ho彡Hj，则Hg = Hj，进入(4)；(3)若Hg > Ho，则将给定高度Hg改为当前的飞行高度Ho，即Hg = Ho ；若Hg彡Ho， 则保持Hg不变，进入(4)；(4)将最大给定高度值Hz改为给定高度值Hg，即Hz = Hg，进入步骤三；若在遥控链路中断时，无人机飞行的给定高度Hg = 5000m，飞行高度Ho = 3300m, 则满足Hg > Hj,Ho > Hj，而Hg > Ho，那么将飞行的给定高度Hg取为当前的飞行高度Ho， 即 Hg = 3300m, Hz = 3300m ；步骤三确定飞行给定高度；在进行航点切换时，根据航线到点高度Hx和最大给定高度Hz的关系，确定无人机 飞行的给定高度Hg，并将飞行给定高度Hg送至飞行控制处理程序进行高度控制，包括如下 步骤①若进行航点切换，则比较到点给定高度Hx和最大给定高度值Hz，进入②；若不 进行航点切换，则保持Hg，进入③；②若Hx > Hz,则将给定高度Hg改为最大给定高度Hz，即Hg = Hz,进入③；若 Hx ^ Hz，则将给定高度值Hg改为到点给定高度Hx，即Hg = Hx,进入③；③根据飞行的给定高度，通过升降舵实现高度控制，高度控制律为S2 =Khp(H-Hg) +Khl \[{Η-Η8) + Κ9θ + Κωω2 ；其中，δ ζ为升降舵指令，H为无人机的飞行高度，Khp为高度控制比例系数，Khl为 高度控制积分系数，K0为俯仰角控制系数，是俯仰角速率控制系数，θ为俯仰角，(02为 俯仰角速率。根据步骤二确定了最大给定高度Hz = 3300m，则此后的飞行中，若航线到点高度 高于Hz，则飞行给定高度Hg取Hz ；若航线到点高度低于Hz，则飞行给定高度Hg取航线到 点高度，并根据飞行给定高度Hg，通过升降舵进行高度控制，至此，可以实现在无人机遥控 链路中断过程中，飞行高度不会再高于3300m，而此高度是在遥控链路中断前飞行的最高高
7度，是经过桨距调节的安全高度，由此也保证了无人机飞行的安全性；根据步骤三和步骤四，当遥控链路恢复后，由于12000m是高度传感器的测量上 限，无人机的升限一定低于12000m，航点高度也一定低于12000m，则一定满足Hx < 12000m, 这样能够确保链路恢复后，航段切换时一定使飞行给定高度Hg取到到点高度Hx，进行正常 的航线飞行；本发明所述的基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方法，充分利用 无人机的初始桨距调节高度、高度传感器测量范围信息，以及在遥控链路中断时的飞行高 度信息、飞行给定高度信息，针对遥控链路中断后无法通过遥控指令调节桨距的问题，经过 层层判断和决策，找到一个安全的飞行给定高度，并通过升降舵进行高度控制，使得无人机 能够在遥控链路中断时也能够安全飞行，提高了无人机飞行的安全性。
权利要求
一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一根据发动机桨距调节特性确定调桨距初始高度，根据高度传感器测量范围的上限，确定最大给定高度的初始值；步骤二确定最大给定高度；若遥控链路出现中断，根据无人机当前飞行高度、飞行的给定高度、调节桨距初始高度之间的关系，重新确定最大给定高度；若遥控链路正常，则将最大给定高度保持为高度传感器测量范围的上限；步骤三确定飞行给定高度；在进行航点切换时，根据航线到点高度和最大给定高度的关系，确定无人机飞行的给定高度，并通过升降舵实现高度控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方 法，其特征在于步骤一按照以下步骤实现1)根据无人机发动机性能和飞行性能，通过发动机台架试验，依据发动机桨距角，无人 机的爬升速度，以及当发动机到达额定功率的转速时，对应一个飞行高度，此后随着高度的 增加，将需要调节桨距角，则该飞行高度就可以确定为安全的初始桨距调节高度Hj ；2)根据高度传感器的测量上限Hzd，确定初始最大给定高度Hz的初始值，Hz= Hzd ；
3.根据权利要求2所述的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方 法，其特征在于所述的步骤1)具体两种实现方式为<1>进行发动机台架试验时，针对不同的桨矩角和相应的爬升速度进行试验，找到当发 动机到达额定功率时的转速对应的飞行高度，则每一个桨矩角和爬升速度对应一个飞行高 度，即初始调节桨矩高度，然后对这些初始调节桨矩高度取平均值，将该平均值确定为Hj ；<2>选择一个无人机飞行常用的初始桨矩角，针对该桨矩角和爬升速度，找到相应的初 始调节桨矩高度，将该初始调节桨矩高度确定为Hj。
4.根据权利要求1所述的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方 法，其特征在于步骤二所述的确定最大给定高度按照以下步骤实现(1)若遥控链路出现中断，则比较当前飞行的给定高度Hg与调桨距初始高度Hj若Hg >Hj，则进入(2)；若Hg彡Hj，则将最大给定高度值Hz改为调桨距初始高度值HjJPHz = Hj进入步骤三；若遥控链路正常，则最大给定高度Hz保持为高度传感器测量范围的上限 Hzd,即Hz = Hzd，进入步骤三；(2)比较当前飞行高度Ho和调节桨距初始高度Hj若Ho >Hj，继续比较Hg和Ho，进 Λ (3)；若 Ho 彡 Hj，则 Hg = Hj，进入(4)；(3)若Hg> Ho，则将给定高度Hg改为当前的飞行高度Ho，即Hg = Ho，进入(4)；若 Hg ^ Ho,则保持Hg不变，进入(4)；(4)将最大给定高度值Hz改为给定高度值Hg，即Hz= Hg，进入步骤三。
5.根据权利要求1所述的一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方 法，其特征在于步骤三所述的确定飞行给定高度按照以下步骤实现①若进行航点切换，则比较到点给定高度Hx和最大给定高度值Hz，进入②；若不进行 航点切换，则保持Hg，进入③；②若Hx> Hz，则将给定高度Hg改为最大给定高度Hz，即Hg = Hz，进入③；若Hx < Hz， 则将给定高度值Hg改为到点给定高度Hx，即Hg = Hx，进入③；③根据飞行的给定高度，通过升降舵实现高度控制，高度控制律为 其中，δ ζ为升降舵指令，H为无人机的飞行高度，Khp为高度控制比例系数，Khl为高度 控制积分系数，Κ0为俯仰角控制系数，是俯仰角速率控制系数，θ为俯仰角，ωζ为俯仰 角速率。
全文摘要
本发明公开了一种基于变桨矩发动机配置的无人机遥控链路中断处理方法，充分利用无人机的初始桨距调节高度、高度传感器测量范围信息，以及在遥控链路中断时的飞行高度信息、飞行给定高度信息，针对遥控链路中断后无法通过遥控指令调节桨距的问题，经过层层判断和决策，找到一个安全的飞行给定高度，并通过升降舵进行高度控制，使得无人机能够在遥控链路中断时也能够安全飞行，避免了发动机转速超转或不够的危险，提高了无人机飞行的安全性。
文档编号B64D31/06GK101927831SQ201010239759
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者向锦武, 张翠萍, 王宏伦, 舒婷婷 申请人:北京航空航天大学