一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统及方法
【专利说明】一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统及方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及飞行控制领域，尤其涉及一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统及方法。
【背景技术】
[0003]无人机在航母上成功降落，是一项非常复杂的控制任务。其中，高度和速度的控制是成功着舰的关键。由于航母一直在向前运动，且速度不固定，也就导致无人机的下滑轨迹一直在变化。另外，与路基飞机不同，舰载机在下滑阶段和触舰瞬间油门保持最大，飞行速度较快，高度下降速率也较大，因此，无人机的高度控制必须快速、精准。此外，为保证主起落架先触舰，舰载无人机在下滑阶段需保持俯仰角大于零。
[0004]舰载无人机自主着舰过程中的高度控制已成为舰载机自主飞行控制系统的核心技术之一。在现有能够查阅的文献中，有的采用高度控制升降舵，空速控制油门，有的采用高度控制油门，空速控制升降舵，有的引入视觉控制，但这些资料都没有综合考虑高度、空速以及飞机俯仰姿态，不能很好得控制舰载无人机自主着舰。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】所涉及的缺陷，提供一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统及方法。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统，包含机载控制模块和引导模块，其中: 所述引导模块设置在舰上，包含差分GPS基站和舰载无线数传；
所述差分GPS基站用于发送载波相位信息及基站坐标信息发送给差分GPS移动站；
所述机载控制模块设置在无人机上，包含激光高度传感器、差分GPS移动站、自动驾驶仪、和机载无线数传；
所述差分GPS移动站用于接收GPS卫星的载波相位与来自差分GPS基站的信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，提供给自动驾驶仪无人机和舰船的GPS坐标；
所述激光高度传感器用于测量无人机的高度；
所述自动驾驶仪用于根据差分GPS位置信息以及无人机的高度控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行；
所述舰载无线数传和机载无线数传基于无线通信。
[0007]作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统进一步的优化方案，所述自动驾驶仪包含轨迹环控制器和姿态环控制器，所述轨迹环控制器用于计算无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角；所述姿态环控制器用于计算无人机的副翼、升降舵大小。
[0008]作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统进一步的优化方案，所述差分GPS基站和差分GPS移动站均采用支持载波相位差分技术的高精度差分GPS。
[0009]作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统进一步的优化方案，所述舰载无线数传和机载无线数传采用3G数传、433MHz电台、900MHz电台中的一种。
[0010]作为本发明一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统进一步的优化方案，所述激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上。
[0011]本发明还公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法，包含以下步骤:
步骤A)，通过差分GPS获得无人机与舰船的相对位置及舰船的运动速度；
步骤B)，计算出无人机的高度；
步骤C)，根据无人机与舰船的相对位置、舰船的运动速度以及无人机的高度计算出一条航迹角为-3.5度的下滑轨迹；
步骤D)，然后控制无人机按计算出的下滑轨迹下滑着舰。
[0012]作为一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法进一步的优化方案，所述步骤B)的具体步骤如下:
步骤B.1 )，采用激光高度传感器测得无人机的激光高度；
步骤B.2)，采用气压高度计测得无人机的气压高度；
步骤B.3)，当激光高度大于50m时，采用气压高度作为无人机的高度；
步骤B.4)，当激光高度小于等于50m时:
步骤B.4.1 )，对激光高度数据滤波处理；
步骤B.4.2)，计算激光高度的数值变化率；如果该变化率小于等于无人机的最大下滑速率，则以本次采集的激光高度作为无人机的高度；如果该变化率大于无人机的最大下滑速率，则弃用本次采集的激光高度，将采集的气压高度与上一周期采集的气压高度作差得到高度差，然后该高度差与将上一周期无人机的高度相加后作为无人机的高度。
[0013]作为一种舰载无人机自主着舰的飞行控制方法进一步的优化方案，所述步骤D)中控制无人机下滑着舰时调整无人机俯仰角的具体步骤如下:
步骤D.1),获得无人机的当前俯仰角；
步骤D.2)，将当前俯仰角与预设的着舰角度进行比较:
如果当前俯仰角大于预设的着舰角度，则增大期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度；
如果当前俯仰角小于预设的着舰角度，则减小期望速度，直到当前俯仰角等于预设的着舰角度。
[0014]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.由于在控制系统中使用了激光高度传感器和气压高度计数据融合，相对于单独使用气压高度计精度更高，数据输出速率更快；
2.由于采用了带俯仰角负反馈的总能量控制算法，使得舰载无人机在下滑阶段高度和速度实现解耦控制，并且在着舰过程中始终保持固定的俯仰角，不需要最后拉平过程，触舰点位置精度更高，触舰姿态也保证了无人机安全；
3.本发明中舰载无人机高度的计算方法可以增加高度控制精度，确保舰载无人机触舰瞬间主起落架先触舰，有利于舰载无人机机和舰船安全。
[0015]本文公开的发明方法经过试飞测试证明效果良好。试飞情况如下:无人机平台选用翼展3m、起飞重量1kg的螺旋桨前拉式常规布局飞机。机载气压高度计、激光测距仪、空速计等必需传感器和自动驾驶仪。地面有一根绳索以固定速度移动，模拟甲板的水平运动。自动驾驶仪的纵向控制采用本文提出的基于俯仰角负反馈的总能量控制系统。经多次试飞测试，该小型无人机可精准着陆，且着陆瞬间主起落架先触地，俯仰角大于零，机头螺旋桨未擦地。
【附图说明】
[0016]图1为舰载无人机自主着舰飞行控制系统的结构示意图；
图2为控制系统软件结构示意图；
图3为原始的总能量控制系统结构示意图；
图4为带俯仰角负反馈的总能量控制系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明公开了一种舰载无人机自主着舰的飞行控制系统，包含机载控制模块和引导模块，其中:
所述引导模块设置在舰上，包含差分GPS基站和舰载无线数传；
所述差分GPS基站用于发送载波相位信息及基站坐标信息发送给差分GPS移动站；
所述机载控制模块设置在无人机上，包含激光高度传感器、差分GPS移动站、自动驾驶仪、和机载无线数传；
所述差分GPS移动站用于接收GPS卫星的载波相位与来自差分GPS基站的信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，提供给自动驾驶仪无人机和舰船的GPS坐标；
所述激光高度传感器用于测量无人机的高度；
所述自动驾驶仪用于根据差分GPS位置信息以及无人机的高度控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行；
所述舰载无线数传和机载无线数传基于无线通信。
[0018]所述自动驾驶仪包含轨迹环控制器和姿态环控制器，所述轨迹环控制器用于计算无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角；所述姿态环控制器用于计算无人机的副翼、升降舵大小。
[0019]所述差分GPS基站和差分GPS移动站均采用支持载波相位差分技术的高精度差分GPS0
[0020]所述舰载无线数传和机载无线数传采用3G数传、433MHz电台、900MHz电台中的一种。
[0021]所述激光高度传感器安装在无人机重心正下方的自稳云台上。
[0022]舰上引导模块包括差分GPS基站、舰载无线数传两部分。差分GPS基站的精确GPS信息通过舰载无线数传发送给机载控制模块。
[0023]差分GPS是首选利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给移动站，对差分GPS移动站的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS分三类:位置差分、伪距差分和载波相位差分。其中载波相位差分精度为厘米级，且实时性最好，最适合移动物体的位置测量。因此只要支持载波相位差分技术的高精度差分GPS均可用于本发明。
[0024]差分GPS基站将测量到的三维坐标和三个方向的速度通过无线数传发送到机载控制模块，以导引舰载无人机自动着舰。
[0025]无线数传就是一种把数据通过无线的形式传送到另一地方的设备。包括3G数传、433MHz电台、900MHz电台等。
[0026]机载控制模块的硬件包括自动驾驶仪、激光高度传感器、差分GPS移动站、机载无线数传。
[0027]自动驾驶仪安装在舰载无人机上，采集各种传感器数据和差分GPS位置信息，通过计算可获得无人机飞行的舵量大小和油门大小，以控制无人机按预设着舰轨迹下滑飞行。
[0028]自动驾驶仪的软件结构分轨迹环控制器和姿态环控制器两大部分，轨迹环控制器的作用是根据无人机当前位置、速度和俯仰姿态与期望的下滑轨迹、速度和俯仰姿态相比，通过计算得出无人机的期望油门、期望俯仰角、滚转角。姿态环控制器的作用是根据上一步计算出的期望俯仰角、滚转角与无人机当前的俯仰角、滚转角相比，通过计算得出无人机的副翼、升降舵大小。
[0029]激光高度传感器和超声波测距传感器的原理类似，由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。由于激光波长单一，传播速度极快，测量精度高，且激光测距仪结构小巧，安装调整方便，故激光高度传感器是目前高精度测距最理想的仪器。
[0030]差分