一種小型無人直升機(jī)的自動起飛控制策略設(shè)計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種小型無人直升機(jī)的自動起飛控制策略，通過設(shè)計無人直升機(jī)的起 飛過程和過渡策略，實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的自動起飛，屬于小型無人直升機(jī)自主控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)是一種無需人駕駛的通過無線電操縱或者通過地面站系統(tǒng)控制并使之按 照預(yù)定程序進(jìn)行自主飛行的航空器。與有人機(jī)相比，它具有體積小、造價低、工作時間長、可 以在危險和復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)等顯著優(yōu)勢，而與固定翼飛機(jī)相比，無人直升機(jī)具有能夠空中 懸停、向任意方向飛行、超低空和低速飛行等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是，它無需起降平臺和飛行 跑道，可以在狹小的城市環(huán)境下或者復(fù)雜地形的戰(zhàn)場進(jìn)行垂直起降，所以成為無人機(jī)領(lǐng)域 的研究熱點(diǎn)。
[0003] 目前，絕大多數(shù)的無人直升機(jī)都是通過專業(yè)操縱手進(jìn)行手動起飛，有一小部分采 用半自動的方式來實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的起飛，操縱手只需控制垂向通道，而縱橫向和航向通 道則通過自動飛行控制律來保持穩(wěn)定。然而起飛是無人直升機(jī)整個飛行包線的重要飛行階 段之一，也是無人直升機(jī)真正投入實(shí)用的必要前提。
[0004] 因此，要實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的自動起飛會遇到以下問題：
[0005] -是直升機(jī)在接受自動起飛指令后，依據(jù)什么條件來判斷是否響應(yīng)該指令，直升 機(jī)在進(jìn)入自動起飛前應(yīng)具備起飛的哪些基本條件。
[0006] 二是直升機(jī)自動起飛需經(jīng)歷兩種狀態(tài)的切換，直升機(jī)要從地面停留狀態(tài)進(jìn)入到空 中飛行狀態(tài)，直升機(jī)在這兩種狀態(tài)中所受的約束截然不同，在地面停留時直升機(jī)受到地面 約束，處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，而直升機(jī)在空中飛行時是一個六自由度的運(yùn)動物體，處于一個 不穩(wěn)定的狀態(tài)，且直升機(jī)在空中的配平姿態(tài)和地面狀態(tài)時有所不同，若貿(mào)然切換極易引起 直升機(jī)的側(cè)翻。
[0007] 三是直升機(jī)在近地階段由于受到地效的影響，氣流極不穩(wěn)定，容易造成直升機(jī)的 滑移，進(jìn)而引起直升機(jī)姿態(tài)的劇烈變化，導(dǎo)致直升機(jī)起落架單邊或單點(diǎn)著地。
[0008] 四是由于無人直升機(jī)普遍采用GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器進(jìn)行位置定位，在近地 面，受到地面雜波及樹木、建筑物遮擋的影響，傳感器的定位精度將有所降低。
[0009] 本發(fā)明通過設(shè)計一種自動起飛控制策略，解決了自動起飛過程中存在的上述問 題。
[0010] 首先，明確了自動起飛的前提條件，設(shè)計了一種著陸傳感器，可用于判斷直升機(jī)起 落架是否接地，根據(jù)直升機(jī)是否處于地面停留狀態(tài)，各傳感器工作是否正常，舵機(jī)自檢回報 是否正確來確定執(zhí)行起飛指令與否，從而避免了在異常情況或者指令誤發(fā)時造成的錯誤起 飛行為。
[0011] 其次，設(shè)計了直升機(jī)從地面停留狀態(tài)向空中飛行狀態(tài)的過渡方案，直升機(jī)在脫離 地面約束后可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。根據(jù)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到直升機(jī)的預(yù)離地總距，直升機(jī)在地 面停留狀態(tài)時，總、縱、橫、航四個通道的操縱量保持在中立位置，當(dāng)直升機(jī)執(zhí)行起飛指令后 總距通道操縱量開始自增，當(dāng)直升機(jī)的總距增加到預(yù)離地總距時，飛行控制系統(tǒng)開始調(diào)用 基本控制律，對直升機(jī)施加平面位置和姿態(tài)控制。之后，總距繼續(xù)自增直到直升機(jī)脫離地面 進(jìn)入空中飛行狀態(tài)。
[0012] 再次，設(shè)計了合適的特定垂向期望速度曲線和特定垂向期望高度曲線，當(dāng)直升機(jī) 處于垂直爬升階段，設(shè)計的特定垂向期望速度曲線保證直升機(jī)的穩(wěn)定爬升，當(dāng)直升機(jī)進(jìn)入 定點(diǎn)懸停階段，設(shè)計的特定垂向期望高度曲線保證直升機(jī)高度的精確穩(wěn)定。
[0013] 最后，設(shè)計了垂向通道控制律調(diào)用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)快速離地并脫離地效區(qū)，在 上升段保持高度通道平穩(wěn)上升，最后精確跟蹤到預(yù)定起飛高度。在直升機(jī)處于地面停留狀 態(tài)或者近地狀態(tài)時，總距通道采用自增的方式快速上升以脫離地面約束和地效區(qū)的干擾， 繼而引入垂向速度跟蹤控制律，規(guī)劃速度-高度匹配曲線，引導(dǎo)直升機(jī)平穩(wěn)快速的上升，當(dāng) 直升機(jī)接近預(yù)定起飛高度時調(diào)用高度跟蹤控制律，實(shí)現(xiàn)高度通道的精確跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：（1)直升機(jī)接受自動起飛指令后，依據(jù)什么條件 判斷是否響應(yīng)該指令，起飛前需完成哪些準(zhǔn)備；（2)自動起飛過程中，應(yīng)如何使直升機(jī)盡快 離地；(3)離地后，地面對直升機(jī)的約束消失，如何保證直升機(jī)從地面停留狀態(tài)向空中飛行 狀態(tài)平穩(wěn)過渡；(4)經(jīng)歷地效區(qū)時，如何避免地面效應(yīng)對直升機(jī)起飛的負(fù)面影響；（5)高度 通道應(yīng)給予什么樣的反饋才能使直升機(jī)高度穩(wěn)定上升，相應(yīng)的期望值應(yīng)如何設(shè)計；(6)如 何使直升機(jī)精確穩(wěn)定在預(yù)定的起飛高度；
[0015] 本發(fā)明要解決上述問題采用的技術(shù)方案是：
[0016] -種小型無人直升機(jī)的自動起飛控制策略，其特征在于將無人直升機(jī)的自動起飛 過程分為三個階段，分別為地面準(zhǔn)備、垂直爬升和定點(diǎn)懸停，它包括以下步驟：
[0017] 步驟一：飛行控制系統(tǒng)接收到自動起飛控制指令，首先進(jìn)入自動起飛準(zhǔn)備階段，對 是否響應(yīng)起飛指令做出判斷；
[0018] 步驟二：若上述步驟一確定直升機(jī)響應(yīng)起飛指令，則進(jìn)入自動起飛后續(xù)準(zhǔn)備階段， 發(fā)動機(jī)自動開車，同時施加轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制，與此同時，飛行控制系統(tǒng)開始記錄當(dāng)前停留位置 的經(jīng)度、煒度、高度和偏航角信息，并求取平均值；否則，不響應(yīng)起飛指令，直升機(jī)保持原有 狀態(tài)；
[0019] 步驟三：若上述步驟二確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在正常工作狀態(tài)，總距δ ^開始按照 一定速率自增到預(yù)離地總距Sral ciff;
[0020] 步驟四：若上述步驟三確定總距達(dá)到預(yù)離地總距δ OTl c]ff，飛行控制系統(tǒng)開始調(diào) 用基本控制律，對直升機(jī)施加平面位置和姿態(tài)控制，總距通道繼續(xù)自增直到直升機(jī)完全離 地；
[0021] 步驟五：若上述步驟四確定直升機(jī)處于離地狀態(tài)，自動起飛進(jìn)入垂直爬升階段， 將離地總距作為起飛配平總距，開始調(diào)用垂向通道控制律直到直升機(jī)高度接近預(yù)定起飛高 度；
[0022] 步驟六：若上述步驟五確定直升機(jī)高度接近預(yù)定起飛高度，自動起飛進(jìn)入定點(diǎn)懸 停階段，開啟調(diào)用定點(diǎn)懸停控制律，直升機(jī)自動起飛過程結(jié)束。
[0023] 其中，步驟一中所述的"對是否響應(yīng)起飛指令做出判斷"，其具體實(shí)施步驟為：
[0024] (I. 1)判斷直升機(jī)當(dāng)前是否處于地面停留狀態(tài)；
[0025] (1. 2)若步驟（I. 1)確定直升機(jī)當(dāng)前處于地面停留狀態(tài)，則調(diào)用舵機(jī)自檢程序?qū)?直升機(jī)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行自檢；否則，不滿足自動起飛條件，并將此信息反饋至飛行控制系統(tǒng)；
[0026] (1. 3)若步驟（1. 2)確定直升機(jī)伺服機(jī)構(gòu)自檢回報狀態(tài)正常，則說明無人直升機(jī) 滿足自動起飛條件；否則，不滿足自動起飛條件；將直升機(jī)是否滿足起飛條件反饋至飛行 控制系統(tǒng)。
[0027] 其中，步驟二所述的"飛行控制系統(tǒng)開始記錄當(dāng)前停留位置的經(jīng)度、煒度、高度和 偏航角信息，并求取平均值"，其計算公式如下：
[0029] 式中，Bn、Ln、Hn、^分別為每個周期記錄的煒度值、經(jīng)度值、高度值和偏航角，N為 記錄的總周期數(shù)，B p_a"、Lp_a"、Hp_ a"、分別為求取的煒度平均值、經(jīng)度平均值、高度平均 值和偏航角平均值。
[0030] 其中，步驟三所述的"總距δ 開始按照一定速率自增到預(yù)離地總距δ ral ciff"，其 具體實(shí)施步驟為：
[0031] (3. 1)總距δ 開始按照一定速率自增；
[0032] (3. 2)若步驟（3. 1)中的δ ral滿足δ ral< δ ral_rff，則重復(fù)步驟（3. 1);否則，總距 S ^達(dá)到預(yù)離地總距δ ral_rff，停止自增，并將此信息反饋至飛行控制系統(tǒng)。