[发明专利]一种小型无人直升机的自动起飞控制策略设计

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型无人直升机的自动起飞控制策略，通过设计无人直升机的起飞过程和过渡策略，实现无人直升机的自动起飞，属于小型无人直升机自主控制领域。

背景技术

无人机是一种无需人驾驶的通过无线电操纵或者通过地面站系统控制并使之按照预定程序进行自主飞行的航空器。与有人机相比，它具有体积小、造价低、工作时间长、可以在危险和复杂环境下作业等显著优势，而与固定翼飞机相比，无人直升机具有能够空中悬停、向任意方向飞行、超低空和低速飞行等优点，更为重要的是，它无需起降平台和飞行跑道，可以在狭小的城市环境下或者复杂地形的战场进行垂直起降，所以成为无人机领域的研究热点。

目前，绝大多数的无人直升机都是通过专业操纵手进行手动起飞，有一小部分采用半自动的方式来实现无人直升机的起飞，操纵手只需控制垂向通道，而纵横向和航向通道则通过自动飞行控制律来保持稳定。然而起飞是无人直升机整个飞行包线的重要飞行阶段之一，也是无人直升机真正投入实用的必要前提。

因此，要实现无人直升机的自动起飞会遇到以下问题：

一是直升机在接受自动起飞指令后，依据什么条件来判断是否响应该指令，直升机在进入自动起飞前应具备起飞的哪些基本条件。

二是直升机自动起飞需经历两种状态的切换，直升机要从地面停留状态进入到空中飞行状态，直升机在这两种状态中所受的约束截然不同，在地面停留时直升机受到地面约束，处于一个稳定的状态，而直升机在空中飞行时是一个六自由度的运动物体，处于一个不稳定的状态，且直升机在空中的配平姿态和地面状态时有所不同，若贸然切换极易引起直升机的侧翻。

三是直升机在近地阶段由于受到地效的影响，气流极不稳定，容易造成直升机的滑移，进而引起直升机姿态的剧烈变化，导致直升机起落架单边或单点着地。

四是由于无人直升机普遍采用GPS等卫星导航系统传感器进行位置定位，在近地面，受到地面杂波及树木、建筑物遮挡的影响，传感器的定位精度将有所降低。

本发明通过设计一种自动起飞控制策略，解决了自动起飞过程中存在的上述问题。

首先，明确了自动起飞的前提条件，设计了一种着陆传感器，可用于判断直升机起落架是否接地，根据直升机是否处于地面停留状态，各传感器工作是否正常，舵机自检回报是否正确来确定执行起飞指令与否，从而避免了在异常情况或者指令误发时造成的错误起飞行为。

其次，设计了直升机从地面停留状态向空中飞行状态的过渡方案，直升机在脱离地面约束后可以实现平稳过渡。根据飞行试验数据得到直升机的预离地总距，直升机在地面停留状态时，总、纵、横、航四个通道的操纵量保持在中立位置，当直升机执行起飞指令后总距通道操纵量开始自增，当直升机的总距增加到预离地总距时，飞行控制系统开始调用基本控制律，对直升机施加平面位置和姿态控制。之后，总距继续自增直到直升机脱离地面进入空中飞行状态。

再次，设计了合适的特定垂向期望速度曲线和特定垂向期望高度曲线，当直升机处于垂直爬升阶段，设计的特定垂向期望速度曲线保证直升机的稳定爬升，当直升机进入定点悬停阶段，设计的特定垂向期望高度曲线保证直升机高度的精确稳定。

最后，设计了垂向通道控制律调用机制，实现了直升机快速离地并脱离地效区，在上升段保持高度通道平稳上升，最后精确跟踪到预定起飞高度。在直升机处于地面停留状态或者近地状态时，总距通道采用自增的方式快速上升以脱离地面约束和地效区的干扰，继而引入垂向速度跟踪控制律，规划速度-高度匹配曲线，引导直升机平稳快速的上升，当直升机接近预定起飞高度时调用高度跟踪控制律，实现高度通道的精确跟踪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：(1)直升机接受自动起飞指令后，依据什么条件判断是否响应该指令，起飞前需完成哪些准备；(2)自动起飞过程中，应如何使直升机尽快离地；(3)离地后，地面对直升机的约束消失，如何保证直升机从地面停留状态向空中飞行状态平稳过渡；(4)经历地效区时，如何避免地面效应对直升机起飞的负面影响；(5)高度通道应给予什么样的反馈才能使直升机高度稳定上升，相应的期望值应如何设计；(6)如何使直升机精确稳定在预定的起飞高度；

本发明要解决上述问题采用的技术方案是：

一种小型无人直升机的自动起飞控制策略，其特征在于将无人直升机的自动起飞过程分为三个阶段，分别为地面准备、垂直爬升和定点悬停，它包括以下步骤：

步骤一：飞行控制系统接收到自动起飞控制指令，首先进入自动起飞准备阶段，对是否响应起飞指令做出判断；