一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)及方法
【專利說明】一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)及方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及飛行控制領域，尤其涉及一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0003]無人機在航母上成功降落，是一項非常復雜的控制任務。其中，高度和速度的控制是成功著艦的關鍵。由于航母一直在向前運動，且速度不固定，也就導致無人機的下滑軌跡一直在變化。另外，與路基飛機不同，艦載機在下滑階段和觸艦瞬間油門保持最大，飛行速度較快，高度下降速率也較大，因此，無人機的高度控制必須快速、精準。此外，為保證主起落架先觸艦，艦載無人機在下滑階段需保持俯仰角大于零。
[0004]艦載無人機自主著艦過程中的高度控制已成為艦載機自主飛行控制系統(tǒng)的核心技術之一。在現(xiàn)有能夠查閱的文獻中，有的采用高度控制升降舵，空速控制油門，有的采用高度控制油門，空速控制升降舵，有的引入視覺控制，但這些資料都沒有綜合考慮高度、空速以及飛機俯仰姿態(tài)，不能很好得控制艦載無人機自主著艦。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對【背景技術】所涉及的缺陷，提供一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)，包含機載控制模塊和引導模塊，其中: 所述引導模塊設置在艦上，包含差分GPS基站和艦載無線數(shù)傳；
所述差分GPS基站用于發(fā)送載波相位信息及基站坐標信息發(fā)送給差分GPS移動站；
所述機載控制模塊設置在無人機上，包含激光高度傳感器、差分GPS移動站、自動駕駛儀、和機載無線數(shù)傳；
所述差分GPS移動站用于接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自差分GPS基站的信息，并組成相位差分觀測值進行實時處理，提供給自動駕駛儀無人機和艦船的GPS坐標；
所述激光高度傳感器用于測量無人機的高度；
所述自動駕駛儀用于根據(jù)差分GPS位置信息以及無人機的高度控制無人機按預設著艦軌跡下滑飛行；
所述艦載無線數(shù)傳和機載無線數(shù)傳基于無線通信。
[0007]作為本發(fā)明一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述自動駕駛儀包含軌跡環(huán)控制器和姿態(tài)環(huán)控制器，所述軌跡環(huán)控制器用于計算無人機的期望油門、期望俯仰角、滾轉角；所述姿態(tài)環(huán)控制器用于計算無人機的副翼、升降舵大小。
[0008]作為本發(fā)明一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述差分GPS基站和差分GPS移動站均采用支持載波相位差分技術的高精度差分GPS。
[0009]作為本發(fā)明一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述艦載無線數(shù)傳和機載無線數(shù)傳采用3G數(shù)傳、433MHz電臺、900MHz電臺中的一種。
[0010]作為本發(fā)明一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述激光高度傳感器安裝在無人機重心正下方的自穩(wěn)云臺上。
[0011]本發(fā)明還公開了一種艦載無人機自主著艦的飛行控制方法，包含以下步驟:
步驟A)，通過差分GPS獲得無人機與艦船的相對位置及艦船的運動速度；
步驟B)，計算出無人機的高度；
步驟C)，根據(jù)無人機與艦船的相對位置、艦船的運動速度以及無人機的高度計算出一條航跡角為-3.5度的下滑軌跡；
步驟D)，然后控制無人機按計算出的下滑軌跡下滑著艦。
[0012]作為一種艦載無人機自主著艦的飛行控制方法進一步的優(yōu)化方案，所述步驟B)的具體步驟如下:
步驟B.1 )，采用激光高度傳感器測得無人機的激光高度；
步驟B.2)，采用氣壓高度計測得無人機的氣壓高度；
步驟B.3)，當激光高度大于50m時，采用氣壓高度作為無人機的高度；
步驟B.4)，當激光高度小于等于50m時:
步驟B.4.1 )，對激光高度數(shù)據(jù)濾波處理；
步驟B.4.2)，計算激光高度的數(shù)值變化率；如果該變化率小于等于無人機的最大下滑速率，則以本次采集的激光高度作為無人機的高度；如果該變化率大于無人機的最大下滑速率，則棄用本次采集的激光高度，將采集的氣壓高度與上一周期采集的氣壓高度作差得到高度差，然后該高度差與將上一周期無人機的高度相加后作為無人機的高度。
[0013]作為一種艦載無人機自主著艦的飛行控制方法進一步的優(yōu)化方案，所述步驟D)中控制無人機下滑著艦時調整無人機俯仰角的具體步驟如下:
步驟D.1),獲得無人機的當前俯仰角；
步驟D.2)，將當前俯仰角與預設的著艦角度進行比較:
如果當前俯仰角大于預設的著艦角度，則增大期望速度，直到當前俯仰角等于預設的著艦角度；
如果當前俯仰角小于預設的著艦角度，則減小期望速度，直到當前俯仰角等于預設的著艦角度。
[0014]本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:
1.由于在控制系統(tǒng)中使用了激光高度傳感器和氣壓高度計數(shù)據(jù)融合，相對于單獨使用氣壓高度計精度更高，數(shù)據(jù)輸出速率更快；
2.由于采用了帶俯仰角負反饋的總能量控制算法，使得艦載無人機在下滑階段高度和速度實現(xiàn)解耦控制，并且在著艦過程中始終保持固定的俯仰角，不需要最后拉平過程，觸艦點位置精度更高，觸艦姿態(tài)也保證了無人機安全；
3.本發(fā)明中艦載無人機高度的計算方法可以增加高度控制精度，確保艦載無人機觸艦瞬間主起落架先觸艦，有利于艦載無人機機和艦船安全。
[0015]本文公開的發(fā)明方法經過試飛測試證明效果良好。試飛情況如下:無人機平臺選用翼展3m、起飛重量1kg的螺旋槳前拉式常規(guī)布局飛機。機載氣壓高度計、激光測距儀、空速計等必需傳感器和自動駕駛儀。地面有一根繩索以固定速度移動，模擬甲板的水平運動。自動駕駛儀的縱向控制采用本文提出的基于俯仰角負反饋的總能量控制系統(tǒng)。經多次試飛測試，該小型無人機可精準著陸，且著陸瞬間主起落架先觸地，俯仰角大于零，機頭螺旋槳未擦地。
【附圖說明】
[0016]圖1為艦載無人機自主著艦飛行控制系統(tǒng)的結構示意圖；
圖2為控制系統(tǒng)軟件結構示意圖；
圖3為原始的總能量控制系統(tǒng)結構示意圖；
圖4為帶俯仰角負反饋的總能量控制系統(tǒng)結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發(fā)明公開了一種艦載無人機自主著艦的飛行控制系統(tǒng)，包含機載控制模塊和引導模塊，其中:
所述引導模塊設置在艦上，包含差分GPS基站和艦載無線數(shù)傳；
所述差分GPS基站用于發(fā)送載波相位信息及基站坐標信息發(fā)送給差分GPS移動站；
所述機載控制模塊設置在無人機上，包含激光高度傳感器、差分GPS移動站、自動駕駛儀、和機載無線數(shù)傳；
所述差分GPS移動站用于接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自差分GPS基站的信息，并組成相位差分觀測值進行實時處理，提供給自動駕駛儀無人機和艦船的GPS坐標；
所述激光高度傳感器用于測量無人機的高度；
所述自動駕駛儀用于根據(jù)差分GPS位置信息以及無人機的高度控制無人機按預設著艦軌跡下滑飛行；
所述艦載無線數(shù)傳和機載無線數(shù)傳基于無線通信。
[0018]所述自動駕駛儀包含軌跡環(huán)控制器和姿態(tài)環(huán)控制器，所述軌跡環(huán)控制器用于計算無人機的期望油門、期望俯仰角、滾轉角；所述姿態(tài)環(huán)控制器用于計算無人機的副翼、升降舵大小。
[0019]所述差分GPS基站和差分GPS移動站均采用支持載波相位差分技術的高精度差分GPS0
[0020]所述艦載無線數(shù)傳和機載無線數(shù)傳采用3G數(shù)傳、433MHz電臺、900MHz電臺中的一種。
[0021]所述激光高度傳感器安裝在無人機重心正下方的自穩(wěn)云臺上。
[0022]艦上引導模塊包括差分GPS基站、艦載無線數(shù)傳兩部分。差分GPS基站的精確GPS信息通過艦載無線數(shù)傳發(fā)送給機載控制模塊。
[0023]差分GPS是首選利用已知精確三維坐標的差分GPS基準臺，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發(fā)送給移動站，對差分GPS移動站的測量數(shù)據(jù)進行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS分三類:位置差分、偽距差分和載波相位差分。其中載波相位差分精度為厘米級，且實時性最好，最適合移動物體的位置測量。因此只要支持載波相位差分技術的高精度差分GPS均可用于本發(fā)明。
[0024]差分GPS基站將測量到的三維坐標和三個方向的速度通過無線數(shù)傳發(fā)送到機載控制模塊，以導引艦載無人機自動著艦。
[0025]無線數(shù)傳就是一種把數(shù)據(jù)通過無線的形式傳送到另一地方的設備。包括3G數(shù)傳、433MHz電臺、900MHz電臺等。
[0026]機載控制模塊的硬件包括自動駕駛儀、激光高度傳感器、差分GPS移動站、機載無線數(shù)傳。
[0027]自動駕駛儀安裝在艦載無人機上，采集各種傳感器數(shù)據(jù)和差分GPS位置信息，通過計算可獲得無人機飛行的舵量大小和油門大小，以控制無人機按預設著艦軌跡下滑飛行。
[0028]自動駕駛儀的軟件結構分軌跡環(huán)控制器和姿態(tài)環(huán)控制器兩大部分，軌跡環(huán)控制器的作用是根據(jù)無人機當前位置、速度和俯仰姿態(tài)與期望的下滑軌跡、速度和俯仰姿態(tài)相比，通過計算得出無人機的期望油門、期望俯仰角、滾轉角。姿態(tài)環(huán)控制器的作用是根據(jù)上一步計算出的期望俯仰角、滾轉角與無人機當前的俯仰角、滾轉角相比，通過計算得出無人機的副翼、升降舵大小。
[0029]激光高度傳感器和超聲波測距傳感器的原理類似，由激光器對被測目標發(fā)射一個光信號，然后接受目標反射回來的光信號，通過測量光信號往返經過的時間，計算出目標的距離。由于激光波長單一，傳播速度極快，測量精度高，且激光測距儀結構小巧，安裝調整方便，故激光高度傳感器是目前高精度測距最理想的儀器。
[0030]差分