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CN105425818B - 一种无人飞行器自主安全飞行控制方法 - Google Patents

一种无人飞行器自主安全飞行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人飞行器自主安全飞行控制方法，包括两部分，一是在飞行过程中，针对无人飞行器飞行状态改变，采用对误差数据进行滑动窗口滤波，有效剔除与当前状态无关的历史数据、扰动过大的数据，加快收敛过程，减小超调，增加无人飞行器状态改变过程的稳定性。二是针对无人飞行器航路点切换，通过以下逻辑进行航路点的切换，首先判断无人飞行器与当前目标航路点之间的距离，同时，为了飞行安全考虑，当不满足上述切换条件而判断出无人飞行器与目标航点平行于航迹的距离小于一定值时，系统也会自动将目标航点切换至下一航点。本发明公开的方法可以有效提高无人飞行器状态改变的稳定性和航路点切换的可靠性，能够切实提高飞行安全性。

Description

一种无人飞行器自主安全飞行控制方法
技术领域：
本发明属于无人飞行器技术领域，特指一种无人飞行器自主安全飞行控制方法。
背景技术：
当前，无人飞行器技术迅猛发展，无人飞行器能够搭载很多先进设备，通过自驾仪预设航迹和人在回路远程遥控的方式，执行各种各样的任务，可以有效规避飞行员驾驶飞机所承担的风险，这体现出了无人飞行器巨大的安全优势。
同时，随着无人飞行器民用化的步伐，无人飞行器在航拍摄影、城市道路测绘、交通监控等领域的应用也越来越广泛。执行这样的任务，无人飞行器的自主飞行能力和安全性能不容忽视，因为城市人口密集，无人飞行器一旦从高空坠落，往往会带来严重的后果。无人飞行器执行任务的可靠性、任务能力，尤其是安全性也越来越受到人们的关注和重视，也有很多问题需要进一步完善。
问题一，无人飞行器在空中执行飞行任务，根据任务需求，任务高度，任务速度都有可能在较大范围内变化，这就涉及到无人飞行器飞行状态改变过程中，自身控制舵面中立位置的调整问题。在经典控制方法中，一般都是依靠对误差的积分求出新的平衡位置，误差的积分中包含了所有的历史信息，其中包括扰动过大的错误信息等。离当前时间较远的历史信息和错误信息对当前状态改变是没有益处的，一方面历史状态与当前状态的控制舵面的中立位置不同，历史信息阻碍当前状态的改变，需要超调较长时间才能消除历史信息的影响，影响收敛速度；另一方面，错误的历史信息需要较大的超调来消除，影响状态改变的稳定性。
问题二，无人飞行器在空中执行飞行任务，其飞行航迹是由一系列带有顺序编号的航路点组成的，航路点主要包含了经纬度、高度、飞行速度等信息，主要作用为引导无人飞行器沿固定轨迹飞行，航路点可简称为航点。航路点通常是飞行前设计好，上传到无人飞行器自驾仪里，也可以实时在线更改，飞行前设计好的航路点称为预设航路点或预设航点，两个相邻编号的预设航路点之间连线的轨迹称为预设航迹，在实时飞行过程中，无人机被控制系统指引希望到达而暂未到达的航路点称为当前的目标航路点或目标航点。无人机到达目标航路点附近以后，控制系统将按照一定的控制逻辑对目标航路点进行操作，将目标航路点切换为下一编号或指定编号的航路点。航路点切换过程中切换逻辑十分重要，切换逻辑需要对无人飞行器飞行精度和飞行安全进行综合考量。如果过分要求无人飞行器飞行精度，将航路点切换的提前转弯半径设置的很小，无人飞行器由于受本身转弯半径的限制和风的扰动的影响，可能始终无法飞进切换区域，导致无人飞行器在目标航路点附近以大坡度滚转角转圈，极易诱使无人飞行器坠毁；同样，如果仅考虑安全性，只要无人飞行器与目标航路点平行于航迹的距离小于一定的值就切换到下一航路点，那么，此时无人飞行器可能与目标航路点垂直于航迹的距离还较远，无人飞行器还没有能执行该航路点预设的侦查或打击任务，就已经切换到下一航路点，这样无疑会影响无人飞行器执行任务的能力。
发明内容
本发明针对现有无人飞行器控制方法的不足，提出了一种无人飞行器自主安全飞行控制方法，能够有效解决无人飞行器自主飞行控制过程中的安全性问题。
本发明的技术方案是：
本发明主要包括两部分，一是在飞行过程中，针对无人飞行器飞行状态切换，采用对误差数据进行滑动窗口滤波，可以有效剔除与当前状态无关的历史数据、扰动过大的数据，加快收敛过程，减小超调，增加无人飞行器状态改变过程的稳定性。二是针对无人飞行器航路点切换，通过以下逻辑进行航路点的切换，首先判断无人飞行器与当前目标航路点之间的距离，同时，为了飞行安全考虑，当不满足上述切换条件而判断出无人飞行器与目标航路点平行于航迹的距离小于一定值时，系统也会自动将目标航路点切换至下一航路点。本发明公开的方法可以有效提高无人飞行器状态改变的稳定性和航路点切换的可靠性，能够切实提高飞行安全性。
一种无人飞行器自主安全飞行控制方法，其特征在于：包括无人飞行器飞行状态安全切换和无人飞行器航路点安全切换两部分，
所述无人飞行器飞行状态安全切换，包括以下步骤：
S1.1：自驾仪启动，传感器初始化，所有积分项的误差数据初始化为零；
S1.2：无人飞行器起飞，先进入爬升模式，待爬到指定高度，进入巡航模式，误差数据开始积分；
S1.3：判断误差是否过大，如在边界值范围内，直接记录；如超过边界值，按照边界值记录；
S1.4：设定保存误差数据的总数，当记录的误差数据的总数等于设定值时，以后每记录一个最新的误差数据，就删除一个最久远的历史数据，不断更新误差数据，保持数据总数为设定值。
所述无人飞行器航路点安全切换，包括以下步骤：
S2.1：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置和当前目标航路点之间的距离D；
S2.2：判断距离D是否小于预设提前转弯半径，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，转入步骤S2.1；如果不小于，进入步骤S2.3；
S2.3：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置与当前目标航路点之间平行于预设航迹的距离d；
S2.4：判断该距离d是否小于预设的安全切换量，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，然后转入步骤S2.1；如果不小于，直接转入步骤S2.1，进行新一轮判断。
针对背景技术中所述的问题一，本发明设计了飞行状态安全切换方法，对误差数据进行滑动窗口滤波，及时剔除与当前状态无关的历史数据、扰动过大的数据，使与当前状态有关的误差数据及时占优，可以有效加快收敛速度，减小超调，增加状态改变过程中的稳定性。
针对背景技术中所述的问题二，本发明充分考虑航路点切换过程中的精度要求和安全、可靠性要求，设计了航路点安全切换方法，通过以下逻辑进行飞行过程中航路点的切换。首先根据无人飞行器与目标航路点之间的距离判断是否切换到下一航路点，再判断无人飞行器与目标航路点平行于航迹的距离是否满足切换条件，不仅能满足无人飞行器执行任务时的精度要求，也能保证航路点切换的可靠性和安全性。
与现有技术相比，本发明的优点是：(1)通过对误差数据进行滑动窗口滤波的方法，及时剔除了与当前状态无关的历史数据、扰动过大的错误数据，加快了状态的改变过程，提高了收敛速度，减小了不必要的超调，增加了飞行状态改变过程中的稳定性。(2)综合考虑了无人飞行器执行任务时对航路点切换精度和可靠性的要求，首先判断是否满足提前转弯半径的切换条件，如果满足，就自动切换到下一航路点，不必再继续向目标航路点飞行，节约了飞行时间；当出现了异常情况，比如较强侧风干扰时，无人飞行器无法飞进提前转弯半径的区域，但是只要无人飞行器在平行于预设航迹的方向上与目标航路点之间的距离小于一定的值，就可以自动切换到下一航路点，使无人飞行器安全离开侧风干扰较强的区域，保证了无人飞行器的安全，提高了航路点切换的安全性和可靠性。
附图说明
图1为飞行误差数据滑动窗口滤波算法流程图；
图2为滑动窗口滤波算法示意图；
图3为航路点安全切换方法示意图。
图3中，xg、yg代表地面平面坐标系的两个轴；Wi-1、Wi、Wi+1分别为预先按顺序设计好的航路点；预设航迹为Wi-1、Wi、Wi+1各点中心的连线，而异常航迹则是随机的，图中给出了一种常见情况；以Wi-1、Wi、Wi+1各航路点为中心，通过设置好的提前转弯半径(通常为100米)，可以得到图中所示的圆形区域，无人飞行器飞进圆形区域，即会自动将目标航路点切换至下一个；当出现异常情况，无人飞行器飞不进圆形区域，在越过了图中竖直方向的长虚线(安全线)之后，同样会自动将目标航路点切换至下一个；竖直长虚线(安全线)与目标航路点Wi之间的距离通常为提前转弯半径的四分之一，大约为25米；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明一种无人飞行器自主安全飞行控制方法，包括无人飞行器飞行状态安全切换和无人飞行器航路点安全切换两部分。
第一部分：飞行状态安全切换方法
图1为飞行误差数据滑动窗口滤波算法流程图。
如图1所示，滑动窗口滤波算法计算步骤如下：
S1.1：自驾仪启动，传感器初始化，所有积分项的误差数据初始化为零；
S1.2：无人飞行器起飞，先进入爬升模式，待爬到指定高度，进入巡航模式，误差数据开始积分；
S1.3：判断误差是否过大，如在边界值范围内，直接记录；如超过边界值，按照边界值记录；
S1.4：设定保存误差数据的总数，当记录的误差数据的总数等于设定值时，以后每记录一个最新的误差数据，就删除一个最久远的历史数据，不断更新误差数据，保持数据总数为设定值。图2为滑动窗口滤波算法示意图。
第二部分：航路点安全切换方法
图3为航路点安全切换方法示意图。
航路点安全切换逻辑如下：
(1)根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置和当前目标航路点之间的距离D。
其中，xa和ya是无人飞行器当前位置在地面坐标系下的相对坐标，xb和yb是目标航路点的相对坐标。
(2)判断距离D是否小于预设提前转弯半径，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，转入(1)；如果不小于，进入下一项判断。
(3)根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置与当前目标航路点之间平行于预设航迹的距离d。
d＝|yb-ya|
(4)判断该距离d是否小于预设的安全切换量，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，然后转入步骤(1)；如果不小于，直接转入(1)，进行新一轮判断。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (3)

1.一种无人飞行器自主安全飞行控制方法，其特征在于：包括无人飞行器飞行状态安全切换和无人飞行器航路点安全切换两部分，
所述无人飞行器飞行状态安全切换，包括以下步骤：
S1.1：自驾仪启动，传感器初始化，所有积分项的误差数据初始化为零；
S1.2：无人飞行器起飞，先进入爬升模式，待爬到指定高度，进入巡航模式，误差数据开始积分；
S1.3：判断误差是否过大，如在边界值范围内，直接记录；如超过边界值，按照边界值记录；
S1.4：设定保存误差数据的总数，当记录的误差数据的总数等于设定值时，以后每记录一个最新的误差数据，就删除一个最久远的历史数据，不断更新误差数据，保持数据总数为设定值；
所述无人飞行器航路点安全切换，包括以下步骤：
S2.1：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置和当前目标航路点之间的距离D；
S2.2：判断距离D是否小于预设提前转弯半径，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，转入步骤S2.1；如果不小于，进入步骤S2.3；
S2.3：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置与当前目标航路点之间平行于预设航迹的距离d；
S2.4：判断该距离d是否小于预设的安全切换量，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，然后转入步骤S2.1；如果不小于，直接转入步骤S2.1，进行新一轮判断。
2.一种无人飞行器飞行状态安全切换方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：自驾仪启动，传感器初始化，所有积分项的误差数据初始化为零；
S2：无人飞行器起飞，先进入爬升模式，待爬到指定高度，进入巡航模式，误差数据开始积分；
S3：判断误差是否过大，如在边界值范围内，直接记录；如超过边界值，按照边界值记录；
S4：设定保存误差数据的总数，当记录的误差数据的总数等于设定值时，以后每记录一个最新的误差数据，就删除一个最久远的历史数据，不断更新误差数据，保持数据总数为设定值。
3.一种无人飞行器航路点安全切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置和当前目标航路点之间的距离D；
S2：判断距离D是否小于预设提前转弯半径，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，转入步骤S1；如果不小于，进入步骤S3；
S3：根据无人飞行器当前位置信息和预设航路点的位置信息，计算无人飞行器当前位置与当前目标航路点之间平行于预设航迹的距离d；
S4：判断该距离d是否小于预设的安全切换量，如果小于，将当前目标航路点切换至下一目标航路点，然后转入步骤S1；如果不小于，直接转入步骤S1，进行新一轮判断。
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