一种抗地效扰动控制方法、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及无人驾驶飞行器技术领域，尤其涉及一种抗地效扰动控制方法、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.现有技术中，固定翼飞机由于其自身固有特性，不具备垂直起降的特性，需要足够长的平坦道路用于滑跑起飞和降落，其中飞机的平稳降落极为关键。由于飞机从高空飞行进入近地面进而降落接地的整个阶段，会经历一段从高速飞行到低速飞行的降速阶段，且近低空时存在由地面效应引起的外部扰动，干扰飞机的正常飞行姿态，从而导致飞机降落接地的表现很差。因此，现有的固定翼飞机多数采用人工操控降落，少数采用全自动飞行控制降落。
3.但是，上述现有方案存在的问题是，采用人工操控降落的方式，虽然可以根据人眼以及长期飞行经验来抵抗近地面的扰动，但是有人操控毕竟高成本，且不够智能，同时，也无法适用于无人驾驶飞行器。而采用全自动飞行控制降落的方式，现有的技术很难应对全场景，从而可能会出现降落触地过重导致飞机脚架、机翼、动力等设备受损，降落阶段失速导致坠机等情况。
4.因此，如何在全自动飞行控制降落过程中，控制飞行器平稳平滑接地，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种抗地效扰动控制方法，该方法包括：
6.在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器；
7.在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地；
8.在所述固定翼飞行器完成落地后启用所述常规控制器，直至飞行结束。
9.可选地，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，包括：
10.在所述固定翼飞行器由所述降落进近阶段进入所述降落预拉飘阶段时，确定地效气流扰动对所述固定翼飞行器的姿态修正需求；
11.根据所述姿态修正需求启用所述抗地效扰动控制器。
12.可选地，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
13.根据所述姿态修正需求对所述固定翼飞行器的传感器数据进行导航状态估计；
14.通过所述导航状态估计得到所述固定翼飞行器的三维位置观测信息和三轴姿态
观测信息。
15.可选地，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
16.获取所述固定翼飞行器的降落目标的三维航点信息；
17.将所述三维航点信息和所述三维位置观测信息发送至所述固定翼飞行器的位置控制器。
18.可选地，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
19.预设所述位置控制器的纵向总能量控制算法和横向制导算法；
20.将所述三维航点信息以及所述三维位置观测信息同时输入至所述纵向总能量控制算法和所述横向制导算法，输出得到所述固定翼飞行器的目标三轴姿态信息。
21.可选地，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
22.预设所述抗地效扰动控制器的内环姿态控制算法；
23.将所述目标三轴姿态信息以及所述三轴姿态观测信息同时输入至所述内环姿态控制算法，输出得到所述固定翼飞行器的目标油门和目标各个舵机量。
24.可选地，所述在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地，包括：
25.在沿用所述抗地效扰动控制器的过程中，通过所述目标油门和所述目标各个舵机量对所述固定翼飞行器执行姿态修正操作；
26.在执行所述姿态修正操作时，对所述固定翼飞行器的所述传感器数据进行导航状态估计。
27.可选地，所述方法还包括：
28.采用最优控制、自适应控制、自抗扰控制、动态逆、鲁棒控制中的一种或多种创建所述抗地效扰动控制器；
29.在所述固定翼飞行器进入降落过程的所述降落进近阶段、或者所述降落预拉飘阶段、或者所述降落拉飘阶段时，启用所述抗地效扰动控制器。
30.本发明还提出了一种抗地效扰动控制设备，该设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的抗地效扰动控制方法的步骤。
31.本发明还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有抗地效扰动控制程序，抗地效扰动控制程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的抗地效扰动控制方法的步骤。
32.实施本发明的抗地效扰动控制方法、设备及计算机可读存储介质，通过在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器；在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地；在所述固定翼飞行器完成落地后启用所述常规控制器，直至飞行结束。实现了一种全自动的抗地效扰动控制方案，在固定翼飞行器降速降高时，通过更高效、更精准的姿态修正，使得固定翼飞行器能够更平稳平滑地接地，极大程度
地提升了飞行降落的稳定性和安全性。
附图说明
33.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
34.图1是本发明抗地效扰动控制方法的第一的流程图；
35.图2是本发明抗地效扰动控制方法的第二流程图；
36.图3是本发明抗地效扰动控制方法的第三流程图；
37.图4是本发明抗地效扰动控制方法的第四流程图；
38.图5是本发明抗地效扰动控制方法的第五流程图；
39.图6是本发明抗地效扰动控制方法的第六流程图；
40.图7是本发明抗地效扰动控制方法的第七流程图；
41.图8是本发明抗地效扰动控制方法的第八流程图；
42.图9是本发明抗地效扰动控制方法的飞行过程中的抗地效扰动控制应用示意图；
43.图10是本发明抗地效扰动控制方法的抗地效扰动控制逻辑示意图；
44.图11是本发明抗地效扰动控制方法的抗地效气流扰动控制器的工作原理图。
具体实施方式
45.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
47.图1是本发明抗地效扰动控制方法第一实施例的流程图。本实施例提出了一种抗地效扰动控制方法，该方法包括：
48.s1、在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器；
49.s2、在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地；
50.s3、在所述固定翼飞行器完成落地后启用所述常规控制器，直至飞行结束。
51.在本实施例中，考虑到现有的固定翼飞行器在降落过程中设置有航向对准、进近、拉飘前、拉飘以及接地五个阶段。其中，航向对准阶段，目的在于飞机航向对准跑道，进近阶段目的在于平滑降高和降速，拉飘前阶段目的是进一步降高到跑道上空近地以及降速，拉飘阶段为了使飞机抬头降速进而平滑平稳接地。针对现有的自动降落技术中的上述五个阶段，其中的航向对准阶段和进近阶段表现较为良好，但是，当飞行器进一步降高到距离地面10米上下时，会出现由于飞行空速较低导致的飞行器的空气动力减弱，以及产生的地效影响，甚至出现下洗气流等扰动，进一步影响飞机的飞行姿态，此时正处于拉飘前阶段和拉飘阶段，控制飞行器平稳接地的难度极高。基于上述考量，本实施例创造性地采用一种抗地效扰动的控制算法，在该算法中，在传统的pid(proportion integral differential，比例积分微分算法)控制算法的基础上，增强控制增益，且融入前馈控制和抗扰动控制算法，使得固定翼飞机可以平稳平滑接地，避免下沉速度过大触地而坠机等情况。由此，实现固定翼飞
行降落阶段的全自动、无需人工干涉的功能特性。
52.在本实施例中，请参考图9示出的飞行过程中的抗地效扰动控制应用示意图。该图示出了抗地效扰动控制器在降落阶段的运行逻辑，其中，在固定翼飞行器起飞后的常规飞行阶段，并不启用上述抗地效扰动控制器，在固定翼飞行器降落起始阶段时，开始监测是否需要启用上述抗地效扰动控制器。可选地，在降落过程的进近阶段时，进一步地对上述是否启用抗地效扰动控制器进行判断，包括，一是，在进入降落的预拉飘阶段时，启用抗地效扰动控制器，二是，未能接入降落的预拉飘阶段时，沿用常规控制器。可选地，若在进入降落的预拉飘阶段后，已启用抗地效扰动控制器的状态时，若再次脱离上述预拉飘阶段，则监测是否脱离降落进近阶段，若仍处于降落进近阶段，则保持已启用的抗地效扰动控制器，若未处于降落进近阶段，则启用上述常规控制器。进一步的，在该图中示出了，在固定翼飞行器的降落预拉飘、降落拉飘阶段均保持上述抗地效扰动控制器的启用状态，而在降落拉飘阶段，针对固定翼飞行器是否完成落地进行监测，其中，在固定翼飞行器完成落地时，关闭抗地效扰动控制器的同时，启用常规控制器，反之，在固定翼飞行器未能完成落地时，保持已启用的抗地效扰动控制器。可选地，在固定翼飞行器由落地完成到飞行结束的过程中，保持已启用的常规控制器。
53.在本实施例中，请参考图10示出的抗地效扰动控制逻辑示意图。该图示出了抗地效扰动控制器的运行逻辑，其中：首先，在固定翼飞行器降落的过程中，若固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段，且检测到存在地效气流扰动时，执行扰动观测，获取扰动补偿，以及获取姿态测量量和姿态目标量；然后，将获取的姿态测量量和姿态目标量作为负反馈输入至上述pid算法，同时，将获取的扰动补偿作为正反馈输入至上述pid算法，其中，上述获取的姿态目标量还作为固定翼飞行器当前的ff(feed forward，前馈)前馈，输入至上述pid算法，以实现固定翼飞行器的飞控的执行器的正反馈。
54.本实施例的有益效果在于，通过在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器；在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地；在所述固定翼飞行器完成落地后启用所述常规控制器，直至飞行结束。实现了一种全自动的抗地效扰动控制方案，在固定翼飞行器降速降高时，通过更高效、更精准的姿态修正，使得固定翼飞行器能够更平稳平滑地接地，极大程度地提升了飞行降落的稳定性和安全性。
55.图2是本发明抗地效扰动控制方法的第二流程图，基于上述实施例，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，包括：
56.s01、在所述固定翼飞行器由所述降落进近阶段进入所述降落预拉飘阶段时，确定地效气流扰动对所述固定翼飞行器的姿态修正需求；
57.s02、根据所述姿态修正需求启用所述抗地效扰动控制器。
58.图3是本发明抗地效扰动控制方法的第三流程图，基于上述实施例，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
59.s11、根据所述姿态修正需求对所述固定翼飞行器的传感器数据进行导航状态估计；
60.s12、通过所述导航状态估计得到所述固定翼飞行器的三维位置观测信息和三轴姿态观测信息。
61.图4是本发明抗地效扰动控制方法的第四流程图，基于上述实施例，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
62.s13、获取所述固定翼飞行器的降落目标的三维航点信息；
63.s14、将所述三维航点信息和所述三维位置观测信息发送至所述固定翼飞行器的位置控制器。
64.图5是本发明抗地效扰动控制方法的第五流程图，基于上述实施例，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
65.s15、预设所述位置控制器的纵向总能量控制算法和横向制导算法；
66.s16、将所述三维航点信息以及所述三维位置观测信息同时输入至所述纵向总能量控制算法和所述横向制导算法，输出得到所述固定翼飞行器的目标三轴姿态信息。
67.图6是本发明抗地效扰动控制方法的第六流程图，基于上述实施例，所述在固定翼飞行器由降落进近阶段进入降落预拉飘阶段时，启用预设的抗地效扰动控制器，否则，沿用预设的常规控制器，还包括：
68.s17、预设所述抗地效扰动控制器的内环姿态控制算法；
69.s18、将所述目标三轴姿态信息以及所述三轴姿态观测信息同时输入至所述内环姿态控制算法，输出得到所述固定翼飞行器的目标油门和目标各个舵机量。
70.图7是本发明抗地效扰动控制方法的第七流程图，基于上述实施例，所述在所述降落预拉飘阶段之后的降落拉飘阶段沿用所述抗地效扰动控制器，直至所述固定翼飞行器完成落地，包括：
71.s21、在沿用所述抗地效扰动控制器的过程中，通过所述目标油门和所述目标各个舵机量对所述固定翼飞行器执行姿态修正操作；
72.s22、在执行所述姿态修正操作时，对所述固定翼飞行器的所述传感器数据进行导航状态估计。
73.在本实施例中，请参考图11示出的抗地效气流扰动控制器的工作原理图，其中，首先，通过地面站规划的飞行轨迹以及降落，将三维航点信息发送给固定翼飞行器机载的飞行控制器；然后，当固定翼飞行器进入到最后执行降落的阶段，启用抗地效气流扰动控制器，并通过纵向总能量控制算法和横向制导算法输出目标的姿态角度信息给到抗地效姿态控制器，即内环姿态控制器，进一步对地效气流扰动对固定翼飞行器的姿态的影响进行观测，从而补偿；最终，改变地效气流扰动对固定翼飞行器的影响。本实施例的目的在于，在固定翼飞行器的降落地效阶段，仍然保证固定翼飞行器在低速且受到地面效应时，在气流被干扰的情况下，可以正常维持固定翼飞行器的俯仰、横滚以及偏航朝向的稳定姿态，从而达到平稳接地的目的。
74.图8是本发明抗地效扰动控制方法的第八流程图，基于上述实施例，所述方法还包括：
75.s03、采用最优控制、自适应控制、自抗扰控制、动态逆、鲁棒控制中的一种或多种
创建所述抗地效扰动控制器；
76.s04、在所述固定翼飞行器进入降落过程的所述降落进近阶段、或者所述降落预拉飘阶段、或者所述降落拉飘阶段时，启用所述抗地效扰动控制器。
77.在本实施例中，在上述不同的控制方法框架下，均采用估计器对参数进行估计或者采用观测器对扰动进行观测，进而对控制器的整体框架进行补充，修正控制增益，从而实现抗地效扰动。
78.基于上述实施例，本发明还提出了一种抗地效扰动控制设备，该设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的抗地效扰动控制方法的步骤。
79.需要说明的是，上述设备实施例与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
80.基于上述实施例，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有抗地效扰动控制程序，抗地效扰动控制程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的抗地效扰动控制方法的步骤。
81.需要说明的是，上述介质实施例与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在介质实施例中均对应适用，这里不再赘述。
82.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
83.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
84.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
85.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。