[发明专利]一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统及方法

说明书

本发明为一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统及方法，所述系统可安装在高亚音速无人飞行器上。系统由地形感知与匹配模块、组合导航模块、主控计算机及外围操纵模块等构成。通过地形感知与匹配模块实时探测飞行器周围地形，并结合数字地形图，对地形进行估计和匹配；组合导航模块测量飞行器的位姿、速度及高度信息；主控计算机根据飞行器周围地形、组合导航信息，通过控制器解算，控制外围操纵模块，对飞行器进行超低空飞行控制。本发明通过设计控制系统及控制方法，可实现无人飞行器在高亚音速飞行条件下完成陆地长距离地形跟随式超低空飞行。

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种利用高亚音速无人机模拟低空高速入侵目标的领域，属于无人机、图像识别、自主导航与机器视觉等技术领域。

背景技术

近年来，随着歼-20的服役和苏-57的量产，美国空军耗巨资启动了5GAT第五代隐身靶机项目，为实弹射击训练和武器测试提供一种能模拟隐身战机真实雷达和红外信号特征的全尺寸靶机。相应的，随着国际上隐身战机、巡航导弹及侦察机的服役，我军新型航空武器迫切需要高性能的无人靶机提供支撑。而我国现有几型主要靶机对超低空高速来袭目标的模拟能力比较欠缺，大多采用海拔高度保持的方式，在高亚音速飞行条件下难以实现50米以下的陆地超低空飞行，故而无法充分模拟巡航导弹地形跟随的飞行特性，因此研究能够支撑高亚音速飞行条件下陆地长距离地形跟随式超低空飞行的控制系统及控制方法，具有非常迫切的需求和重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统，该系统可实现无人飞行器在高亚音速飞行条件下完成陆地长距离地形跟随式超低空飞行。

本发明采用的技术方案为：

一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于地形测量、障碍探测与威胁评估的地形感知与匹配模块，可由多孔径雷达、双目视觉与激光扫描仪等传感器构成；用于位姿精确测量的组合导航模块，可由惯性导航、卫星导航、无线电高度计、大气计算机、视觉传感器等构成；用于整合数据，执行控制逻辑，解算控制器，操纵无人机完成超低空飞行的主控计算机；用于控制舵面偏转和发动机转速调节的外围操纵模块。

作为优选，所述地形感知与匹配模块通过多孔径雷达、双目视觉与激光扫描仪等感知器件实时测量飞行器周围地形，结合数字地形图，采用神经网络方法对地形进行最优估计，并采用SIFT或ORB特征提取方法对地形特征进行匹配，辅助无人机进行导航；对前方路径中的障碍进行探测，建立三维地形和障碍物地图，地图可以是栅格的形式，对前方的障碍进行标注，并根据相对高度的预测值及其梯度评估其威胁等级，为路径重规划和障碍规避提供数据支撑。

作为优选，所述组合导航模块用于测量飞行器的姿态、地速、空速、海拔高度、相对高度、位置等导航信息，为高亚音速无人机超低空飞行提供数据基础。组合导航模块可由惯性导航、卫星导航、无线电高度计、大气计算机、视觉传感器等组成，可采用扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波及神经网络等方法进行多传感器数据融合，从而对导航数据做出最优估计，用于闭环控制与任务规划。

组合导航模块中的相高测量系统是超低空飞行必不可少的设备，也是本发明的一个重要的关键点。本发明可采用无线电高度计测量高亚音速无人机的离地高度，采用相对高度互补滤波方法，充分利用组合导航和相对高度信息。由于无线电高度计的相对高度信息动态性能差，易受噪声干扰和环境影响，直接引入闭环控制将极大地影响控制性能。对高度计信息与组合导航信息进行融合，可以滤除高度计信息的高频噪声，充分利用其低频特性和垂向速度的高频特性，从而准确的估计相对高度。可采用卡尔曼滤波、互补滤波等数据融合方法来估计最优的相对高度。下述滤波方法属于本发明的典型算法之一：

假设为无人机相对高度的估计值，H_m(s)为无线电高度计的相对高度测量值，V_Int(t)为组合导航模块给出的海拔高度估计值，H_m(s)和V_Int(s)分别为它们的拉氏变换，则相对高度可表示为