一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机与流程

本发明涉及无人机飞行控制，更具体地，涉及一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机。

背景技术：

1、无人机具有广泛的应用领域，在进行目标跟踪、森林防火、资源探测或编队飞行时，可能遭遇时变性较强的外界扰动，要求无人机相对目标、相对地面或编队前方飞机的速度在遭遇外界扰动时能够根据任务特征进行自适应调节，具有无人机地速自适应巡航的能力。

2、无人机可在任何区域对特定目标执行探测跟踪任务，包括海面地面空中的固定或移动目标。无人机执行海上监视或护航任务，会对海上目标舰船进行跟踪识别，获取目标信息后与目标保持一定的相对位置速度关系，形成非对称压制态势。无人机进行森林防火或资源探测时，需保持固定高度和固定地速对目标区域进行均匀探测，为保证探测结果的连续性，最好能够保持恒定地速，针对外界干扰需提高地速的自适应控制能力。无人机在进行编队飞行时，尤其是相对紧密的编队，当前方飞机出现速度调整时，跟随飞机也需进行相应调整，以确保飞行安全和编队队形。无人机与目标的相对位置关系都是通过地面系确认的，无人机相对地面的速度为地速，无人机无论是任务跟踪和编队飞行还是对地探测都需要保持地速的自适应能力，通过地速的自适应控制才能更准确有效的进行任务活动。

3、当前无人机在进行任务跟踪或对地探测时按照预先航迹以相对固定的空速进行飞行，并不考虑外界风场变化导致的地速变化；无人机编队飞行按照预设航迹后保留安全距离，并且均是同一型号的编队，并未考虑有人机与无人机混编时地速自适应问题，任务效率和连续性有待加强。

4、因此，有必要开发一种无人机地速自适应控制方法，提高无人机在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。

5、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机，能够提高无人机地速自适应能力，提高在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。

2、基于上述目的，本发明提供了一种无人机地速自适应控制方法，包括：

3、实时获取无人机当前高度的风速风向；

4、根据目标对象的地速与当前风速风向计算无人机的目标真空速

5、在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速与最大飞行真空速和所述目标真空速之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。

6、可选方案中，所述确定无人机地速自适应策略包括：

7、若无人机不改变飞行高度，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；

8、若无人机爬升飞行高度，再次判断是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节；

9、若无人机降低飞行高度，再次判断是否成立，若成立，通过调节飞行姿态实现地速自适应调节。

10、可选方案中，所述采用飞行姿态的自适应调节控制地速包括：

11、其中ρ0为海平面大气密度，根据无人机气压高度hp和大气当地密度ρ，计算无人机目标指示空速vic，

12、

13、根据所述目标指示空速vic，计算无人机升力系数cl，

14、

15、其中，m表示无人机总重，g表示重力加速度，s表示无人机机翼面积，根据无人机升力系数cl计算无人机目标飞行攻角αc，并对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，同时计算无人机的匹配推力，以跟踪所述目标指示空速vic。

16、可选方案中，根据以下公式获得无人机升降舵指令角度进而对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，

17、

18、其中，q为俯仰角速率，kq为俯仰角速率控制增益，α为无人机飞行攻角，kα为攻角控制增益，k∫α为攻角积分控制增益，为理论状态升降舵配平角度。

19、可选方案中，所述计算无人机的匹配推力油门大小以跟踪所述目标指示空速vic包括：

20、

21、其中，vi为无人机当前飞行指示空速，kvi为指示空速控制增益，为指示空速积分控制增益，为无人机配平所述推力的油门百分比。

22、可选方案中，若无人机通过降低飞行高度后，无人机最小飞行地速依然大于目标地速，则无人机以蛇形航迹或盘旋飞行进行目标跟踪飞行。

23、可选方案中，所述实时获取无人机当地风速风向包括：

24、根据无人机机载传感器测量无人机地速和速度航向，获得无人机飞行地速矢量根据机载传感器测量无人机真空速和机头航向，获取飞行真空速矢量根据以下公式计算无人机当前高度的风速风向

25、

26、可选方案中，基于无人机飞行包线确定最小飞行真空速与最大飞行真空速

27、本发明还提供了一种控制器，用于实现上述的方法。

28、本发明还提供了一种无人机，包括上述的控制器。

29、本发明有益效果在于：

30、本发明采用风速矢量、地速矢量及无人机空速矢量的三角关系作为关键运算式，根据无人机当前飞行状态进行在线风速风向辨识，然后根据目标对象的地速与当前风速风向计算目标真空速，在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速与最大飞行真空速和目标真空速之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。

31、本发明采用了基于飞行包线的地速自适应策略，通过姿态自适应调节和高度-姿态自适应调节策略，充分利用无人机自身的运动特点和相结合的三维飞行空间特性，拓展了地速自适应控制的飞行范围。

32、本发明采用了攻角跟踪控制和速度跟踪控制相结合的方法实现飞行指示空速的精确跟踪，能够提高无人机速度跟踪控制的抗扰动能力，同时也提高了无人机速度控制精度和飞行控制的鲁棒性。

33、本发明采用的地速自适应控制方法适应范围较广，针对长航时无人机，当外界风场环境发生变化时，也可采用上述方法进行地速的自适应控制，或利用风场信息进行高度-姿态的自适应调节实现地速控制。

34、本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

技术特征：

1.一种无人机地速自适应控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述确定无人机地速自适应策略包括：

3.根据权利要求2所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述采用飞行姿态的自适应调节控制地速包括：

4.根据权利要求3所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，根据以下公式获得无人机升降舵指令角度进而对所述目标飞行攻角αc进行配平操作，

5.根据权利要求3所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述计算无人机的匹配推力油门大小以跟踪所述目标指示空速vic包括：

6.根据权利要求2所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，若无人机通过降低飞行高度后，无人机最小飞行地速依然大于所述目标对象的地速，则无人机以蛇形航迹或盘旋飞行进行目标跟踪飞行。

7.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，所述实时获取无人机当地风速风向包括：

8.根据权利要求1所述的无人机地速自适应控制方法，其特征在于，基于无人机飞行包线确定最小飞行真空速与最大飞行真空速

9.一种控制器，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一项所述的方法。

10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求9所述的控制器。

技术总结
本申请公开了一种无人机地速自适应控制方法、控制器及无人机，其中，控制方法包括：实时获取无人机当前高度的风速风向；根据目标对象的地速与当前风速风向计算无人机的目标真空速在当前飞行高度，基于无人机最小飞行真空速与最大飞行真空速和所述目标真空速之间的关系，确定无人机地速自适应策略，将地速控制在期望误差范围内。本发明能够提高无人机地速自适应能力，提高在执行任务时对目标探测跟踪的效率和编队队形。

技术研发人员：宋璟,张凯,邹宇翔,郭杰,李广佳,仪志胜
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12