[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

摘要

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。

主权项

1.一种高亚音速无人机超低空飞行控制系统的控制方法，所述高亚音速无人机超低空飞行控制系统包括：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；用于位姿精确测量的组合导航模块；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；主控计算机为控制系统的中心；地形感知与匹配模块、组合导航模块作为主控计算机的外部测量输入；外围操纵模块为主控计算机的输出模块，执行主控计算机的指令，控制包括发动机、舵机在内的执行机构；其特征在于，所述控制方法分为三个子过程：下滑引导过程、超低空保持飞行过程和紧急避障过程；1)下滑引导过程：下滑引导过程分为快速下滑段和指数引导段；快速下滑段采用固定的高度引导速率，指数引导段采用快速无超调的高度引导方式；首先通过快速下滑段按照指定的高度引导速率将无人机引导至指数引导段；然后，以呈指数衰减的引导速率引导相对高度逐渐降低至超低空目标高度，下滑引导速率与距离目标高度的落差成正比，其中指数引导段的初始引导速率与快速下滑段的引导速率一致；自飞机进入指数引导段开始到降至相对高度设定值，其下滑速率从快速下滑段的速率逐渐衰减至约零；在下滑引导过程中，高度控制始终采用相对高度实时修正的海拔高度闭环，当海拔高度闭环设定值低于地面高度与超低空目标高度之和超过一定时间时，进入超低空高度保持阶段；其中，当前的地面高度为海拔高度与相对高度估计值之间的差值；所述的指数引导段采用快速无超调的高度引导方式，具体为：设H₀为无人机进入指数引导段时的相对高度，H_set为无人机的超低空相对高度设定值；将t时刻的相对高度表示为：H(t)＝H_set+A·e^‑bt+c式中，b为常数，A和c为指数引导方程中的可调参数；对高度求导，则t时刻的垂向速度可表示为：V(t)＝H′(t)＝‑Ab·e^‑bt+c将以上两式结合，指数引导过程中的高度引导率为：V(t)＝‑b·(H(t)‑H_set)其与当前相对高度与高度设定值之间的偏差成正比；而t＝0时有：快速下滑段的高度引导速率V₀是已知的，指数引导段的初始引导速率与快速下滑段的引导速率一致；当按照快速下滑段的引导速率将相对高度引导至指定偏差范围内时即进入指数引导段；指定的高度偏差表示为ΔH；当t＝0时，有：V(0)＝‑b·(H(0)‑H_set)＝‑b·ΔH由于V(0)＝V₀已知，可以求得：因此可得：可见，只要指定高度偏差ΔH和进入指数衰减之前的高度引导速率V₀，即可得到指数引导段的高度引导方式；2)超低空保持飞行过程：根据相对高度预测值实时修正的海拔高度闭环控制，实时调整飞行姿态以保持相对高度；3)紧急避障过程：当高亚音速无人机在超低空高度保持的过程中检测到地表形态的持续变化，预测相对高度将低于安全边界时，必须及时做出规避动作；根据周围的地表形态进行在线三维航迹规划，以提前调整无人机的飞行高度；当障碍物的高度超出无人机高度保持控制器的调整范围时，采用紧急拉起的策略，以固定俯仰角将无人机紧急拉起，直至相对高度大于目标高度超过一定时间后重新进入高度保持过程；以地面高度与相对高度设定值之和作为海拔高度设定值，进行海拔高度保持；其中，地面高度为组合导航系统给出的海拔高度与相对高度估计值之间的差值。