一种无副翼无人机自主飞行控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于无人机技术领域，特指一种无副翼无人机自主飞行控制方法。
【背景技术】：
[0002] 随着信息化程度不断提高，小型无人机的发展越来越受到重视，尤其是美国和以 色列的小型无人机技术最为成熟完善。对于小型无人机而言，在保证性能要求的前提下，突 出其优点，降低飞机的复杂性、降低成本、提高可靠性与维护性，是使用的要求，也是其在同 类型无人机竞争中取胜的决定性因素。因此，无副翼、电动推进成为小型无人机广泛采用的 设计方案。这种无副翼无人机大体结构与常规无人机很类似，最主要的差别是没有副翼，而 针对此类无人机的自主飞行控制方法的研究是设计、生产此类无人机的基础。
[0003] 无人飞行器在空中执行飞行任务，其飞行航迹是由一系列带有顺序编号的航路点 组成的，航路点主要包含了经炜度、高度、飞行速度等信息，主要作用为引导无人飞行器沿 固定轨迹飞行，航路点可简称为航点。航路点通常是飞行前设计好，上传到无人飞行器自驾 仪里，也可以实时在线更改，飞行前设计好的航路点称为预设航路点或预设航点，两个相邻 编号的预设航路点之间连线的轨迹称为预设航迹，在实时飞行过程中，无人机被控制系统 指引希望到达而暂未到达的航路点称为当前的目标航路点或目标航点。无人机当前位置垂 直于预设航迹的直线距离称为侧向航迹偏差。无人机到达目标航路点附近以后，控制系统 将按照一定的控制逻辑对目标航路点进行操作，将目标航路点切换为下一编号或指定编号 的航路点。
【发明内容】
[0004] 本发明针对无副翼无人机的特点，提出了一种无副翼无人机自主飞行控制方法。 其是一种采用方向舵代替副翼进行自主飞行控制的方法。由制导算法解算出目标滚转角再 映射到方向舵通道上，通过方向舵的偏转产生偏航操纵力矩，改变飞行器的偏航角，从而实 现无副翼无人机的横航向控制；同时升降舵根据当前方向舵偏角补偿无人飞行器滚转角姿 态变化过程中的升力损失，可以有效实现无副翼无人机的协调转弯、航迹跟踪控制。该方法 能够有效实现无副翼无人机的横航向姿态控制和航迹跟踪，具有实用性。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种无副翼无人机自主飞行控制方法，无副翼无人机在飞行过程中，传感器获取 无副翼无人机的位置姿态信息，无副翼无人机的自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进 行处理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制 指令包括方向舵指令和升降舵指令。
[0007] 所述方向舵指令的计算方法为，
[0008] S1:读取无副翼无人机当前的位置坐标与无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目 标航路点坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的目标航向角，目标航向角减去当前的 无人机航向角，得到航向角偏转指令。
[0009] S2:根据无副翼无人机当前的位置坐标和无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目 标航路点坐标，计算无人机相对于预设航迹的侧向航迹偏差，航迹偏差乘以一定的增益系 数，得到航向角修正指令。
[0010] S3:航向角偏转指令加上航向角修正指令得到航向角控制指令。
[0011] S4:航向角控制指令通过PID解算，得到目标滚转角指令。
[0012] S5:目标滚转角指令与当前滚转角做差，得到滚转角偏差，滚转角偏差经过比例积 分微分运算，得到副翼控制指令。
[0013] S6:副翼控制指令乘以前馈系数kfl得到方向舵指令。
[0014] 所述升降舵指令的计算方法为：
[0015] (1)由当前高度和目标高度做差，通过PID算法，生成俯仰角指令。
[0016] (2)由俯仰角指令与当前俯仰角做差，通过PID算法，生成升降舵控制指令。
[0017] ⑶方向舵指令乘以前馈系数kf2得到升降舵补偿指令。
[0018] (4)升降舵补偿指令加升降舵控制指令，得到升降舵最终指令。
[0019] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0020] 本发明通过PID算法生成目标滚转角，目标滚转角指令再通过PID算法解算出方向 舵指令，通过方向舵的偏转产生偏航力矩，改变飞行器的偏航角，从而实现无副翼无人机的 横航向控制。
[0021 ]本发明根据无人机当前的俯仰角，通过PID算法解算，同时将方向舵指令乘以一定 的前馈系数相加，生成升降舵指令，补偿因方向舵偏转带动滚转角变化造成的升力损失，可 以实现无副翼无人机的协调转弯。
[0022]小型无副翼无人机结构简单，单兵携带性能好，适合近距离侦查打击任务，本发明 填补了这一方面的空白，具有实用性;本发明提出的控制方法采用的是经典控制理论中的 PID算法，具有计算简单，可靠性高，控制效果好的特点;本发明提出的控制方法对无人机机 载传感器数量要求低，仅需要一些基本的传感器，能够有效减轻无人飞行器机体重量，降低 生产成本。
【附图说明】：
[0023] 图1为无副翼无人机自主飞行控制系统框图。
[0024] 图中，地面站为Getac军用笔记本电脑，内置了自主研发的飞行、载荷控制程序，通 过电脑串口向外发送和接收数据，数据通过无人机上搭载的900M带宽的通信电台进行交 互；电台收到的地面站控制指令会实时传输到自驾仪中，同时自驾仪也会将收集到的传感 器信息通过电台发回到地面站电脑。
【具体实施方式】：
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0026] 参照图1，为无副翼无人机自主飞行控制系统框图。无副翼无人机在飞行过程中， 传感器获取无副翼无人机的位置姿态信息，自驾仪根据传感器获取的位置姿态信息进行处 理，并发出相应的控制指令给无副翼无人机，对无副翼无人机进行实时控制，所述控制指令 包括方向舵指令和升降舵指令。本发明主要包括两部分，第一部分为方向舵指令计算，第二 部分为升降舵指令计算。
[0027] 所述方向舵指令的计算方法为：
[0028] (1)读取无副翼无人机当前的位置坐标与无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目 标航路点坐标，根据两者的坐标，计算地面坐标系下的目标航向角，目标航向角减去当前的 无人机航向角，得到航向角偏转指令Yawl。
[0029]
[0030] Heading = atan2( Δ X，Δ y)
[0031] Yawl =Heading-heading
[0032] 其中，Xe3和ye3是无人机当前位置在地面坐标系下的相对坐标，x4Pya是当前目标航 路点的相对坐标，Heading是目标航向角，heading为传感器测出的无人机航向角。
[0033] (2)根据无副翼无人机当前的位置坐标和无副翼无人机的自驾仪中预设的当前目 标航路点坐标，计算无人机相对于预设航迹的侧向航迹偏差d，航迹偏差d乘以一定的增益 系数，得到航向角修正指令Yaw2。
[0034]
[003