一种固定翼无人机控制系统及横侧向飞行轨迹控制方法

摘要

本发明公开了一种固定翼无人机控制系统及横侧向飞行轨迹控制方法，属于导航定位与控制领域。本发明提供一种高精度轨迹跟踪的固定翼无人机自动控制系统，提高轨迹跟踪的快速性和跟踪的精度，实现固定翼无人机的高质量自动飞行。该自动控制系统采用新型的基于偏航距误差修正的L1算法，对飞机的横侧向飞行轨迹进行控制，提高了提高轨迹跟踪的抗风性，使飞机在存在阵风的情况下可以有较好的轨迹跟踪效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度轨迹跟踪的固定翼无人机控制系统及横侧向飞行轨迹控制方法，属于导航定位与控制领域。

背景技术

固定翼无人机因其飞行速度快，续航时间长，可挂载荷大等优点被广泛应用在敌情侦察，精确打击，森林防火，勘测测绘等领域。但固定翼无人机的飞行范围受到操作人员的视觉距离和遥控器无线电传输范围限制，因此有必要设计一套具备高精度轨迹跟踪的固定翼无人机自动控制系统。

目前固定翼无人机采用单点GPS来提供位置信息，通过传统的PID控制来实现轨迹跟踪，跟踪精度低，快速性差，抗风性能差。无人机自动飞行的核心问题就是解决轨迹跟踪问题，传统的控制方法以及传感器的选型，无法满足这一要求。

发明内容

针对上述固定翼无人机轨迹跟踪精度低快速性差等缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度轨迹跟踪的的固定翼无人机控制系统及横侧向飞行轨迹控制方法，提高轨迹跟踪的快速性和跟踪的精度，实现固定翼无人机的高质量自动飞行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于偏航距误差修正的横侧向飞行轨迹控制方法，将偏航距误差作为控制输入经过PI控制器后输出，与L1算法给出的滚转角叠加得到期望滚转角，将期望滚转角输出给舵机，实现横侧向飞行轨迹的控制；

其中，期望滚转角式中，为L1算法给出的滚转角，为偏航距误差的放大系数，e_c为偏航距误差，为偏航距误差积分项系数，为侧向速度的负反馈系数，为侧向速度误差。

另一方面，本发明提供一种固定翼无人机控制系统，包括飞行器平台、飞行控制器和地面站部分，其中：

飞行器平台包括固定翼机体、电子调速器、电机、桨叶、舵机；电机位于固定翼机体腰部，用来控制飞机的速度，通过PWM输出驱动电路与飞控计算机中输出接口连接；舵机用来控制升降舵、副翼、方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞控计算机中输出接口连接；

飞行控制器包括飞控计算机、遥控器接收机、传感器模块、无线数传模块，传感器模块包括航姿传感器、高度传感器、空速计和位置传感器，其中，飞控计算机根据如上所述的基于偏航距误差修正的横侧向飞行轨迹控制方法对固定翼无人机的横侧向飞行轨迹进行控制；

地面站部分包括地面站、地面无线数传模块，地面站通过地面无线数传模块与机载的无线数传模块进行数据通讯。

作为本发明的进一步优化方案，位置传感器采用精度为分米级的差分GPS。

作为本发明的进一步优化方案，无线数传模块通过串口与飞控计算机连接。

作为本发明的进一步优化方案，航姿传感器采用挂载的方式，通过串口与飞控计算机连接。

作为本发明的进一步优化方案，高度传感器采用气压计，采用板载的方式，通过I2C总线与飞控计算机连接。

作为本发明的进一步优化方案，空速计通过I2C总线与飞控计算机连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)在同等GPS精度条件下，本发明具有更好的轨迹跟踪效果，跟踪精度高，响应速度快；

(2)运用总能量控制，在同等电量下显著提高飞机的巡航时间；

(3)用新型的基于消除偏航距误差的L1算法，提高了飞机的抗风性能，使飞机在存在阵风的情况下可以有较好的轨迹跟踪效果。

附图说明

图1是飞机能量变化关系图；

图2是L1算法原理图；

图3是L1算法的轨迹跟踪示意图；

图4是飞机在侧风影响下的受力示意图

图5是固定翼无人机飞行控制系统的硬件实现与原理框图

图6是轨迹控制回路的结构图

图7是侧风风速6m/s时飞机的飞行轨迹图

图8是直线段飞行的偏航距误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种高精度轨迹跟踪的固定翼无人机自动控制系统，包括飞行器平台，飞行控制器和地面站部分。其中飞行器平台包括常规布局的固定翼机体、电子调速器、电机、桨叶、舵机、电池等部件；飞行控制器包括飞控计算机、遥控器接收机、传感器模块、无线数传模块等。传感器模块包括航姿传感器、高度传感器(气压计)、空速计和位置传感器。本发明为解决高精度轨迹跟踪问题，选用精度为分米级的差分GPS作为位置传感器，控制方法中采用一种新型的基于偏航距误差消除的L1算法。

电机位于机体腰部用来控制飞机的速度，通过PWM输出驱动电路与飞控计算机中输出接口连接，舵机用来控制升降舵、副翼、方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞控计算机中输出接口连接，航姿传感器SBG采用挂载的方式，通过串口与飞控计算机相连接，气压计采用板载的方式，通过I2C总线与飞控计算机连接；无线数传模块通过串口与飞控计算机连接；地面站部分的地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行数据通讯；空速计模块通过I2C总线与飞控计算机连接；EEPROM模块通过I2C总线与飞控计算机连接。

本发明采用100HZ的控制频率，完成对传感器的读取与处理，得到期望的舵面角度通过PWM输出给舵机，从而实现飞机姿态的变化进而改变飞机的飞行轨迹。

航线飞行过程中需要控制飞机的飞行高度、飞行速度以及飞机的横侧向飞行轨迹。本发明中，高度与速度控制采用总能量控制的方法实现飞行速度与高度变化的平缓过度，飞机的横侧向飞行轨迹控制采用新型的基于偏航距误差消除的L1算法来实现高精度的轨迹控制。

总能量控制利用了物理中的能量守恒原理，由飞机腰部的电机带动螺旋桨产生的能量分配到重力势能和动能，其中，E_T是电机带动螺旋桨产生的能量，G是飞机的重力，H是飞机飞行的高度，V是飞机的飞行速度。如图1所示，当电机能量发生变化时飞机的飞行速度和飞行高度也发生变化时，满足其中，ΔE_T是能量的变化，V₀是T₀时刻的飞行速度，V₁是T₁时刻的飞行速度，ΔH是高度的变化量。

油门通道控制律为δ_T＝T_vcr+k_PEe_E，其中，e_E＝V_cr²-V_cu²+k_eHe_H为能量误差，V_cr为巡航速度，V_cu为飞机当前的飞行速度，e_H是高度误差，k_eH为重力势能的转化系数，T_vcr是巡航油门，δ_T是期望的油门值。

高度控制律为其中，k_pVH是高度变化速度误差放大系数，e_H＝H_target-H_current为高度误差，k_pH为高度误差放大系数，k_iVH为高度变化速度误差积分项系数，k_rtp滚转与俯仰的耦合系数。

本发明中，飞机的横侧向飞行轨迹控制采用新型的基于偏航距误差修正的L1算法。L1算法是一种理想条件下的轨迹控制算法，如图2所示，这种方法是在期望轨迹上选取参考点，利用参考点和飞机当前点计算飞机的侧向加速度其中，a是侧向加速度，L₁＝2Rsinη是飞机当前位置与参考点之间的距离，R是飞机做圆周运动的半径，η是飞机飞行速度与L₁直线的夹角。根据得到的侧向加速度，计算期望的滚转角其中，θ是俯仰角，从而实现飞机横侧向的轨迹跟踪，如图3所示。

但是，当飞机受大风干扰时会存在偏航距的稳态误差，如图4所示，当存在侧风时飞机需要一定的滚转角度提供向心力以抵消侧风的影响，因此L1算法给出的期望滚转角提供的向心力不足以使飞机修正已存在的偏航距。为了提高轨迹跟踪的抗风性，本发明提出了一种基于偏航距误差修正的L1算法，将偏航距误差作为控制输入经PI控制器输出期望滚转角，与L1算法给出的期望滚转角叠加得到最终的控制量输出给舵机，横侧向的轨迹控制律为其中，δ_φ为期望滚转角，为L1算法给出的期望滚转角，为偏航距误差的放大系数，e_c为偏航距误差，为偏航距误差积分项系数，是侧向速度的负反馈系数，侧向速度误差。

本发明还提供一种高精度轨迹跟踪的固定翼无人机自动控制系统，采用常规布局的固定翼无人机机体结构，飞机的飞行姿态通过舵机带动副翼、升降舵和方向舵来控制。飞机的飞行速度由电机转速控制。如图5所示的该固定翼无人机飞行控制系统的硬件实现与原理框图，包括机载部分和地面控制部分。机载部分包括所有机载传感器，飞控计算机，电源模块，无线传输模块、遥控器接收机，电机及舵机。地面部分包括地面站，遥控器，GPS基站和无线传输模块。飞控计算机采用STM32F407作为控制器，有丰富的硬件接口资源。电机与舵机通过PWM输出驱动电路与控制器相连接；气压计、EEPROM、空速计通过IIC总线与控制器连接；无线数传模块通过UART串口与控制器连接；航姿传感器SBG通过UART串口与控制器连接；差分GPS通过USART串口与控制器连接；接收机通过UART串口与控制器连接；差分GPS基站和移动站通过无线电数传连接；电源模块通过AD接口与控制器连接。

其中，主要的传感器模块有：

姿态传感器模块采用的是法国SBG公司的IG-500N，包含方位测量解决方案、动态传感器、姿态航向参考系统(A.H.R.S)、全球定位系统(GPS)精度增强的姿态航向参考系统、静态传感器、两轴倾角仪、三维罗盘等。可以用在无人机、车辆运动分析、航天、机器人、航海等领域。具有抗机械抖动和撞击的优异性能，能直接输出高精度的3自由度角度、3自由度角速率和3自由度加速度等数据。静态条件下，滚转角与俯仰角测量偏差在-0.5°～+0.5°之间，偏航角测量偏差在-1.0°～+1。0°；动态情况下，其测量偏差分别为-1.0°-1.0°之间。姿态和速度的输出频率在0～500Hz可调，可用串口与主控制器连接。工作电压在3.3V到30V，功耗550mW。

无线数传模块，用于实现飞机和地面站之间的通信功能，将机载参数下载到地面站或将地面站的数据上传到飞控中。该设计选用X-Tend是MAXStream公司推出的一款超远距离无线数传电台。在最高传输速率115kbps下，其室内距离可达900米，室外可视传输距离最大达64公里。X-Tend内置了256位的AES加密算法，可以完全保证用户的数据安全。通过串口进行数据传输。

差分GPS提供飞机当前位置的定位，以及飞机的速度信息和高度信息。使用的是NovAtel推出的OEM617D，OEM617D是NovAtel基于OEM6全新硬件平台研制开发的兼容BDS多频测向板卡。该板卡支持双天线输入，能够同时使用GPS、GLONASS、BDS的双频信号进行测向、RTK解算。同时，小尺寸、超低功耗、重量轻、接口灵活等特点尤其适合于各领域的集成应用。

图6是轨迹控制回路的结构图，根据地面站输入的轨迹指令，解算出飞机的目标位置，将目标位置与差分GPS返回的飞机当前位置输入给L1轨迹控制器得到L1算法的期望的滚转角再利用目标位置与差分GPS返回的飞机当前位置计算偏航距误差e_c，将计算得到的偏航距误差输入到PI控制器中得到其对应的期望的滚转角其中

将L1轨迹控制器和基于偏航距误差消除的PI控制器得到滚转角相叠加，得到最终的期望滚转角δ_φ输入到飞机的姿态控制回路，最后通过舵机输出使飞机滚转，从而实现轨迹的改变。

如图7所示，当存在较大正侧风时飞机仍能保持高精度的轨迹飞行，其中，黑色是飞机实际的飞行轨迹，白色是在地面站写入的期望的飞行轨迹；如图8所示为飞机在图7中航点4和航点5之间直线段的飞行，偏航距误差在-0.5m～+0.5m范围内，是高精度的轨迹跟踪。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。