一种无人机滑跑纠偏控制装置及方法.docx

一种无人机滑跑纠偏控制装置及方法一种无人机滑跑纠偏控制装置及方法本发明提供一种无人机滑跑纠偏控制装置及方法所述装置包括：GPS模块、磁航向仪、纠偏控制器、惯性测量单元舵机伺服控制器、前轮舵机；GPS模块无人机的经纬度和地面速度矢量信息；所述磁航向仪获取无人机的磁航向信息；所述惯性测量单元获取无人机运动的三轴姿态角、三轴角速率和机体坐标系速度矢量信息；纠偏控制器根据GPS模块、磁航向仪和惯性测量单元获取的上述参数进行纠偏控制计算，形成舵机控制指令送往舵机伺服控制器；所述舵机伺服控制器接收所述纠偏控制器发送的舵机控制指令，产生功率放大信号，用以驱动前轮舵机；所述前轮舵机根据所述舵机伺服控制器输出的功率放大信号形成前轮偏转，进而引起无人机的纠偏运动轨迹跟踪专利说明】一种无人机滑跑纠偏控制装置及方法【技术领域】[0001]本发明属于飞行器控制【技术领域】，涉及无人机自主起降过程中滑跑纠偏控制，特别涉及滑跑纠偏控制器的装置及方法背景技术】[0002]无人机的发射和回收阶段是整个飞行过程中的关键阶段，对发射、回收阶段有效安全的控制是无人机控制的关键内容之一目前无人机的发射方式主要包括轨道发射(橡筋绳弹射、气动发射、液压/气动发射和旋转发射)、零长发射(火箭助推发射、手抛发射、车载发射和飞轮发射)及轮式发射；回收方式主要包括轮式滑停回收、拦阻网回收、空中打捞回收和伞降回收。

[0003]长航时等大型无人机一般具有较大的重量，飞机本身价格昂贵，在回收阶段需要对机体提供高度的保护对这类飞机，宜采用轮式发射和回收方式，即轮式起降轮式起降中的滑跑纠偏控制是轮式起降中的重要方面飞机结构不可避免地存在不对称性，机场跑道存在凸凹，机场存在各种风扰动，飞机着陆触地时相对于跑道一般都存在偏航角和侧向偏移所有这些因素将导致飞机在起飞或着陆滑跑中出现相对于跑道的侧向偏差若不及时对侧偏距进行纠正，飞机可能侧偏出跑道，造成严重事故可以认为，滑跑纠偏控制是飞机起飞着陆主要控制任务之一，而纠偏控制装置是纠偏控制的关键部件[0004]目前无人机纠偏控制装置一般采用经典控制方法，如PID控制，其特点在于形式简单、调参方便、需要参量少但问题在于无人机自主起降过程中速度是变化的，起飞时加速，着陆时是减速；在变速运动过程中，基于PID控制方法的纠偏控制往往难以适应，导致不同阶段的纠偏性能下降，甚至系统发散发明内容】[0005](一 )要解决的技术问题[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于预瞄跟随方法的无人机滑跑纠偏控制装置，以实现不同速度下的偏移预测和自适应纠偏控制，保证在滑跑速度范围内的纠偏控制性能，为无人机滑跑纠偏控制提供实际控制装置。

[0007]( 二 )技术方案[0008]本发明公开了一种无人机滑跑纠偏控制装置，包括GPS模块、磁航向仪、纠偏控制器、惯性测量单元舵机伺服控制器、前轮舵机；[0009]其中，所述GPS模块用于获取无人机的经纬度和地面速度矢量信息；[0010]所述磁航向仪用于获取无人机的磁航向信息；[0011]所述惯性测量单元用于获取无人机运动的三轴姿态角、三轴角速率和机体坐标系速度矢量信息；纠偏控制器根据所述GPS模块、磁航向仪和惯性测量单元获取的上述参数进行纠偏控制计算，形成舵机控制指令送往舵机伺服控制器；[0012]所述舵机伺服控制器接收所述纠偏控制器发送的舵机控制指令，产生功率放大信号，用以驱动前轮舵机；[0013]所述前轮舵机根据所述舵机伺服控制器输出的功率放大信号形成前轮偏转，进而引起无人机的纠偏运动轨迹跟踪[0014]本发明还公开了一种无人机滑跑纠偏控制方法，其包括:[0015]获取无人机的运动参数，包括运动的经纬度、地面速度矢量信息、磁航向信息、三轴姿态角、三轴角速率和机体坐标系速度矢量信息；[0016]对所述运动参数进行数据融合和纠偏控制指令计算，形成舵机控制指令；[0017]根据所述舵机控制指令驱动所述无人机的前轮发生偏转，进而对所述无人机的滑动进行纠偏控制。

[0018](三)有益效果[0019]本发明提供一种基于预瞄跟随方法的无人机滑跑纠偏控制装置，在预瞄跟随方法下，给出了纠偏控制计算(预瞄跟随方法)的计算方法算法对具有强非线性且时变的无人机前轮操纵动力学模型进行了一阶等效线性化，并利用带遗忘因子的递归最小二乘方法进行了等效参考模型的参数辨识，最终按照理想的预瞄跟随器的结构进行了转向特性估计，建立了自整定控制器的参数调节方法，可以实现在不同速度下的自适应纠偏控制；针对无人机动力学强非线性时变特性，采用基于预瞄跟随方法提出了预瞄式自适应控制算法，该控制算法可较为精确地控制无人机滑跑纠偏跟随预期轨迹，且自适应控制算法的采用也提高了控制系统的鲁棒性和适应性，并完成了纠偏控制装置的软硬件设计，从而为无人机纠偏控制系统提供了一条可实现的装置专利附图】【附图说明】[0020]图1是本发明中无人机滑跑纠偏控制装置结构图；[0021]图2是本发明中纠偏控制器的结构图；[0022]图3是本发明中无人机滑跑纠偏控制装置的计算流程图；[0023]图4是本发明中预瞄跟随方法下的理想侧向加速度计算示意图；[0024]图5是本发明中纠偏控制计算(预瞄跟随方法)的原理图。

具体实施方式】[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明[0026]图1示出了本发明中无人机滑跑纠偏控制装置的结构图如图1所示，无人机滑跑纠偏控制装置包括GPS模块31、磁航向仪32、纠偏控制器33、惯性测量组件34、舵机伺服控制器35、前轮舵机36、数传电台37、遥控接收机38、地面控制站39所述无人机滑跑纠偏控制装置3安装在无人机I上，使得无人机I在自主起降地面滑跑过程中始终沿着跑道中心线2进行轨迹跟踪[0027]所述纠偏控制器33与GPS模块31、磁航向仪32、惯性测量组件34连接，用于提取无人机I的滑跑运动参数，并且根据这些参数进行纠偏控制计算，形成舵机控制指令送往舵机伺服控制器35舵机伺服控制器35形成功率放大信号驱动前轮舵机36，进行滑跑纠偏控制[0028]GPS模块31提供无人机I运动的经纬度、地面速度矢量信息[0029]磁航向仪32提供无人机I运动的磁航向信息[0030]惯性测量组件34提供无人机I运动的三轴姿态角(滚转、俯仰、偏航角)、三轴角速率(滚转、俯仰、偏航角速率)，以及惯性导航地速[0031]舵机伺服控制器35接收纠偏控制器33发送的舵机控制指令，产生功率放大信号，用以驱动液压舵机。

[0032]前轮舵机36作为无人机I滑跑纠偏控制的执行机构，采用液压舵机，接收舵机伺服控制器35的功率放大信号，形成前轮偏转，进而引起无人机的纠偏运动轨迹跟踪[0033]数传电台37用于接收地面控制站39发送的无人机滑跑纠偏控制装置的运动指令(如启动、停车、转弯、直线跟踪)、数据链控制指令(数据发送启动、停止)、配置指令(如速度指令的大小等)，并将其传送至纠偏控制器33，并且纠偏控制器33通过所述数传电台37向地面控制站39回传无人机滑跑纠偏控制装置3的状态信息[0034]遥控接收机38用于无人机滑跑纠偏控制装置3处于遥控状态时接收地面遥控人员手持遥控器381发送的遥控指令，并将接收到的遥控指令发送给舵机伺服控制器35，一般用于测试状态[0035]地面控制站39用于无人机滑跑纠偏控制装置3的指令发送以及状态显示[0036]无人机滑跑纠偏控制装置3的工作机制如下:[0037]GPS模块31提供无人机I运动的经纬度、地面速度矢量信息；磁航向仪32提供无人机I运动的磁航向信息；惯性测量组件34提供无人机I运动的三轴姿态角(滚转、俯仰、偏航角)、三轴角速率(滚转、俯仰、偏航角速率)、机体坐标系速度矢量信息。

[0038]纠偏控制器33通过对GPS模块31、磁航向仪32、惯性测量组件34提供的无人机I运动参数进行数据融合和纠偏控制指令计算，形成舵机控制指令发送给舵机伺服控制器35[0039]舵机伺服控制器35接收纠偏控制器33发送的舵机控制指令，产生功率放大信号，用以驱动液压舵机，形成前轮偏转，进而引起无人机的纠偏运动轨迹跟踪[0040]采用数传电台37接收地面控制站39的指令，并回传人机滑跑纠偏控制装置3的状态信息[0041]图2是本发明中纠偏控制器的结构示意图如图2所示，其包括:DSP331，RAM332，FLASH333，电源 334，看门狗电路 335，第一 RS232 口 336，第二 RS232 口 337，第三 RS232 口338，第四 RS232 口 339，PWMIN 口 3310，RS485 口 3311[0042]纠偏控制器33通过第一 RS232 口 336与GPS模块31连接，接收经纬度、地面速度矢量信息；通过第二 RS232 口 337与磁航向仪32连接，接收无人机I运动的磁航向信息；通过第三RS232 口 338与惯性测量组件34连接，获取无人机I运动的三轴姿态角(滚转、俯仰、偏航角)、三轴角速率(滚转、俯仰、偏航角速率)；通过第四RS232 口 339与数传电台37连接，接收地面控制站39发送的指令并回传状态信息；通过PWM IN 口 3310与遥控接收机38，接收遥控控制指令信号，并将其进行转化为舵机控制指令后通过RS485 口 3311传送至舵机伺服控制器。

[0043]纠偏控制器33通过RAM332进行数据缓冲，通过FLASH333进行计算程序存储电源334接收外部电源信号(8-36伏)，提供侧偏刚度传感计算单元15需要5伏、3.3伏电压看门狗电路335提供定时脉冲信号以满足DSP331内的看门狗中断不触发的条件所述DSP用于执行所存储的程序[0044]图3是本发明中无人机滑跑纠偏控制装置中纠偏控制器进行纠偏控制的方法流程图如图3所示，该方法包括以下几个步骤:传感器数据获取步骤41:依次读取GPS模块31、磁航向仪32、惯性测量组件34，获取无人机I运动的经纬度、地面速度矢量信息、磁航向信息、三轴姿态角(滚转、俯仰、偏航角)、三轴角速率(滚转、俯仰、偏航角速率)、机体坐标系速度矢量信息[0045]数据融合步骤42:针对偏航角信息，对磁航向仪32提供的磁航向信息、惯性测量组件34获取的偏航角信息进行数据融合，得到修正后的偏航角，采用自适应加权融合算法，加权参数是无人机运动速度的函数，其中加权系数cl = fl (Vx), c2 = f2 (Vx)，fl、f2的表达式为一系列特征点的二次拟合函数，通常称为增益调参函数，Vx为机体坐标下X轴向的速度，由惯性测量组件34获取。

[0046]针对地速信息，对于GPS模块31提供的卫星导航地速信息和惯性测量组件34提供的惯性导航地速信息进行融合得到修正的地速，融合公式如下所示:[0047]Vg = dl*Vg_gps+d2*Vg_imu[0048]其中dl，d2为加权系数，Vg_gps为GPS模块31提供的地速矢量，Vg_imu为惯性测量组件34提供的地速信息其采用自适应加权融合算法，加权参数是无人机运动速度的函数(这个函数由两种地速组合导航的Kalman滤波计算求得)[0049]纠偏控制计算(预瞄跟随方法)步骤43:根据传感器数据获取步骤41计算出的传感器数据即无人机I运动的经纬度、地面速度矢量信息、磁航向信息、三轴姿态角(滚转、俯仰、偏航角)、三轴角速率(滚转、俯仰、偏航角速率)、机体坐标系速度矢量信息以及数据融合步骤42计算后的部分参数即修正地速矢量，进行纠偏控制指令计算，形成舵机控制指令发送给舵机伺服控制器35其中，纠偏控制计算方法采用预瞄跟随方法，具体在下面详细解释[0050]前轮操纵指令发送步。