[发明专利]一种采用三段柔化切换实现无人机的高度全自动飞行的方法

说明书

本发明是关于一种采用三段柔化切换实现无人机高度全自动飞行的方法。其采用惯性测量单元测量无人机的角速度与加速度信号，然后根据期望角度指令与角速度积分得到的角度信号对比形成角度误差信号，并通过与角速度的信号进行组合得到俯仰、偏航与滚转通道的稳定控制力矩信号。然后在高度通道首先进行任务规划，将高度任务分解成典型任务形成装定矩阵，得到期望高度信号，与飞行器的实际垂向位置进行对比得到高度误差信号，然后根据高度误差将高度控制分成早期、中期与末端微调三个阶段，通过不同的升力控制设计实现无人机大空域运动时的高度无超调精准控制。该方法的优点在于其无超调而方便应用于复杂任务的单无人机或多机自主飞行控制。

技术领域

本发明涉及小型无人飞行器的高度精确控制与自主飞行控制，具体而言，涉及一种采用三段柔化切换实现无人机高度全自动飞行的方法。

背景技术

在无人机的单机飞行中，如果采用遥控式，则对高度通道控制系统的超调特性无特殊要求，甚至为了追求快速性而允许单无人机具有一定的超调。但在执行复杂的单机任务时，任务规划与精确轨迹跟踪则是比较复杂的过程。尤其在多无人机的飞行组网控制中，经常会出现友机之间的相互碰撞而导致飞行表演任务失败。而失败的原因主要是典型任务的高度超调以及任务规划不合理而导致的。基于上述背景原因，本发明提出了一类基于典型任务分解的特征高度装定的方法实现任务规划，同时采用三段式柔化切换实现大空域的高度精确跟踪且无超调，从而使得本发明特别适用于单无人机的复杂自主飞行任务与多机的组网飞行。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用三段柔化切换实现无人机高度全自动飞行的方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的四旋翼无人飞机高度超调而不利于无人机组队飞行避碰的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种采用三段柔化切换实现无人机高度全自动飞行的方法，包括以下步骤：

步骤S10，在四旋翼无人机上安装KY-IMU102N-B0惯性测量单元，测量其俯仰角、偏航角、滚转角的角速度信号，并且测量三个轴向的加速度；

步骤S20，根据所述测量所得的俯仰、偏航与滚转角速率信号，分别进行积分，得到俯仰角、偏航角与滚转角信号；

步骤S30，根据所述的俯仰角信号与俯仰角指令信号进行对比，得到俯仰角误差信号，然后对俯仰角误差信号进行非线性积分，得到俯仰角误差非线性积分信号，最后与俯仰角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机俯仰力矩控制信号，实现俯仰通道的稳定控制；

步骤S40，根据所述的偏航角信号与偏航角指令信号进行对比，得到偏航角误差信号，然后对偏航角误差信号进行非线性积分，得到偏航角误差非线性积分信号，最后与偏航角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机偏航力矩控制信号，实现偏航通道的稳定控制；

步骤S50，根据所述的滚转角信号与滚转角指令信号进行对比，得到滚转角误差信号，然后对滚转角误差信号进行非线性积分，得到滚转角误差非线性积分信号，最后与滚转角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机滚转力矩控制信号，实现滚转通道的稳定控制；

步骤S60，根据所述测量所得的三个轴向加速度信号，进行两次积分，分别得到前向、侧向与垂向的速度与位置信号；

步骤S70，根据四旋翼无人机的高度飞行任务，进行典型任务分解，将其分解为多个典型的爬高或降高过程，得到高度任务特征点装定矩阵；然后根据高度任务特征点装定矩阵生成其为期望高度信号；

步骤S80，根据所述的无人机垂向位置信号，与期望高度信号进行比较，得到高度误差信号，然后根据高度误差信号的大小进行判断，将无人机高度调整的过程分为早期大范围调整、中期小范围调整与末端微调整三个阶段；