一種無(wú)人機(jī)組合高度設(shè)計(jì)方法

胡牡丹，唐小平，李智軍，李 維，李 皊

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

一種無(wú)人機(jī)組合高度設(shè)計(jì)方法

胡牡丹，唐小平，李智軍，李 維，李 皊

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

為得到較大空域條件下準(zhǔn)確的無(wú)人機(jī)飛行高度信息，研究了一種氣壓高度表、無(wú)線電高度表及加速度計(jì)三種測(cè)高信號(hào)的組合高度設(shè)計(jì)方法。本文首先對(duì)各傳感器的特性進(jìn)行了分析，并根據(jù)測(cè)高模型誤差特性，進(jìn)行濾波預(yù)處理；再通過(guò)抗飽和積分反饋組合高度控制方法，得到組合高度。仿真結(jié)果表明，與常用低通濾波方法相比，組合高度信號(hào)更平穩(wěn)、信噪比更高，可滿(mǎn)足較大空域飛行要求。

無(wú)人機(jī)；無(wú)線電高度表；加速度計(jì)；組合高度

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在較大空域條件下的自主飛行，準(zhǔn)確測(cè)量高度信息是其飛行控制系統(tǒng)的必要輸入條件。高度測(cè)量主要包括氣壓高度表、GPS、無(wú)線電高度表和加速度計(jì)四種傳感器。氣壓高度表受大氣壓力影響，其測(cè)量誤差會(huì)因高度的降低而增大，因此測(cè)量準(zhǔn)確度難以保證；GPS定位準(zhǔn)確度高，但由于其自身的定位原理使其具有測(cè)量數(shù)據(jù)更新慢以及因出現(xiàn)系統(tǒng)靜默而導(dǎo)致系統(tǒng)不可用等缺點(diǎn)[1]；無(wú)線電高度表測(cè)量精度高，但它測(cè)量范圍有限，而且測(cè)量得到的是飛行器至地面或海平面的相對(duì)高度，受地形或海面狀況的影響較大；加速度計(jì)能準(zhǔn)確反映高度方向的速度變化情況，短時(shí)間內(nèi)對(duì)速度積分得到的高度變化量有很高的精度，但長(zhǎng)時(shí)間誤差會(huì)積累[2]。由此可見(jiàn)，各傳感器受自身測(cè)量特性的限制，在一定情況下測(cè)量精度不能滿(mǎn)足要求，所以依靠單一傳感器很難滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)各種狀態(tài)下的高度精確定位需求。為了解決這一問(wèn)題，綜合加速度計(jì)、氣壓高度表和無(wú)線電高度表三種測(cè)高元件的特點(diǎn)，本文提出了一種組合高度設(shè)計(jì)方法，有效利用各測(cè)高元件的高度信息，使得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，克服單傳感器測(cè)量精度不足的缺點(diǎn)。

1 傳感器特性分析

1.1 氣壓高度表

標(biāo)準(zhǔn)大氣模型是國(guó)際上統(tǒng)一采用的一種理想的大氣模型，其以標(biāo)準(zhǔn)海平面作為零高度，規(guī)定了大氣各參數(shù)與高度的關(guān)系。高度0～11km范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)壓高公式如下[3]：

式中：Tb、pb和Hb分別為相應(yīng)大氣層的大氣溫度、大氣壓力和重力勢(shì)高度的下限值；β為溫度的垂向變化率；gn為標(biāo)準(zhǔn)自由落體加速度；R為空氣氣體常數(shù)；H1為被測(cè)高度。氣壓高度表傳感器的量測(cè)方程可表示為：

式中：H測(cè)量1（s）為氣壓高度表測(cè)量高度；H(s)為真實(shí)高度；ε1(s)為測(cè)量噪聲。

1.2 無(wú)線電高度表

無(wú)線電高度表是利用地面/海面對(duì)電磁波反射的原理來(lái)測(cè)量高度。電磁波是安裝在無(wú)人機(jī)上的無(wú)線電發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線向下發(fā)出，經(jīng)過(guò)時(shí)間t由地面/海面反射之后被高度表接收天線接收。故無(wú)人機(jī)實(shí)際高度為：

式中，C為電磁波傳播速度；τ為電磁波從無(wú)人機(jī)到地面或海面再返回到無(wú)人機(jī)所用時(shí)間。

由于無(wú)線電高度表測(cè)量的是相對(duì)高度，將地形或海浪的起伏帶進(jìn)了控制回路，容易引起無(wú)人機(jī)波動(dòng)，而無(wú)人機(jī)波動(dòng)總是在一定程度上滯后于地形或海浪的變化，將增加無(wú)人機(jī)與地面或海浪相撞的危險(xiǎn)，不利于無(wú)人機(jī)低空飛行[4]。無(wú)線電高度表測(cè)高精度較高，含有較強(qiáng)的高頻噪聲信號(hào)ε2(s)，量測(cè)方程表示如下：

式中：H測(cè)量2（s）為無(wú)線電高度表測(cè)量高度；H(s)為真實(shí)高度。

1.3 加速度計(jì)

固定在無(wú)人機(jī)上的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三個(gè)加速度計(jì)，可以分別測(cè)出坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度。加速度計(jì)自主性強(qiáng)、可靠性高，不易受環(huán)境影響，短時(shí)間內(nèi)工作測(cè)量精度高，但誤差積累也會(huì)使高度信號(hào)發(fā)散。無(wú)人機(jī)相對(duì)地面/海面的飛行高度h3、垂向速度Vg和垂向加速度ag之間的關(guān)系表示如下：

量測(cè)方程方程表示如下：

式中：H測(cè)量3（s）為量測(cè)高度；H(s)為真實(shí)高度；ε3(s)為加速度計(jì)測(cè)量噪聲。

2 無(wú)人機(jī)組合高度設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)人機(jī)高度采集系統(tǒng)，組合高度設(shè)計(jì)思想為：首先各測(cè)高傳感器測(cè)高信號(hào)通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波預(yù)處理；再對(duì)濾波后高度信號(hào)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)：低空飛行時(shí)，用無(wú)線電高度表高度信號(hào)確定基準(zhǔn)高度；高空飛行時(shí)，用氣壓高度表高度信號(hào)確定基準(zhǔn)高度；用加速度計(jì)積分高度確定相對(duì)高度。

2.1 濾波預(yù)處理

傳感器量測(cè)噪聲通常為高頻噪聲，對(duì)無(wú)線電高度表信號(hào)和氣壓高度表信息采用低通濾波器進(jìn)行濾波預(yù)處理。而慣性高度為加速度計(jì)信號(hào)二次積分后得到，其中積分有濾波作用，因此，對(duì)加速度計(jì)輸出的信號(hào)可以不進(jìn)行濾波處理。

2.2 組合高度設(shè)計(jì)

組合高度設(shè)計(jì)中，無(wú)人機(jī)低空飛行時(shí)，以無(wú)線電高度濾波后信號(hào)為基準(zhǔn)高度；無(wú)人機(jī)高空飛行時(shí)，以氣壓高度表濾波后信號(hào)為基準(zhǔn)高度。因此，在組合高度初值裝訂時(shí)，低空裝訂無(wú)線電高度表初值、高空裝訂氣壓高度表初值。為使組合高度能平穩(wěn)跟隨無(wú)線電高度或氣壓高度表測(cè)高信號(hào)，在垂向速度和垂向加速度中引入高度差負(fù)反饋[5]；同時(shí)，為減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，在垂向加速度中引入高度差積分負(fù)反饋信號(hào)，并對(duì)高度差PI綜合信號(hào)進(jìn)行限幅處理，防止積分信號(hào)飽和?？癸柡头e分反饋組合高度控制框圖見(jiàn)圖1。

圖1中，ag為加垂向加速度信號(hào)；hs為無(wú)線電高度或氣壓高度濾波后的高度信號(hào)；hc為組合高度信號(hào)；k1、k2為放大器反饋系數(shù)；k3為反饋通道中積分系數(shù)。

2.3 控制系統(tǒng)分析

根據(jù)圖1可得輸入輸出關(guān)系如下：

化簡(jiǎn)得：

穩(wěn)態(tài)誤差為：

根據(jù)公式（9）可知，組合高度精度保持與傳感器測(cè)高精度一致，即無(wú)人機(jī)低空飛行時(shí)，組合高度可保持與無(wú)線電高度表測(cè)高精度一致；高空飛行時(shí)，可保持與氣壓高度表測(cè)高精度一致。

為方便應(yīng)用，控制系統(tǒng)參數(shù)選擇過(guò)程中，可把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成三階衰減振蕩型，即系統(tǒng)有一個(gè)實(shí)根，一對(duì)復(fù)根，于是：

則

三階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性由系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)決定，可以把一對(duì)復(fù)根作為主導(dǎo)極點(diǎn)，一個(gè)實(shí)根作為附加極點(diǎn)。當(dāng)n時(shí)，系統(tǒng)近似于二階系統(tǒng)。欠阻尼系統(tǒng)阻尼比ξ設(shè)計(jì)值一般為0.4～0.8之間，自振頻率ωn根據(jù)實(shí)際地形或海浪頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜上，可設(shè)計(jì)出k1、k2、k3各參數(shù)值。

2.4 仿真分析

為驗(yàn)證組合高度控制系統(tǒng)的有效性，本文針對(duì)無(wú)線電高度表輸出信號(hào)和加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行組合仿真驗(yàn)證。仿真中，以某無(wú)人機(jī)對(duì)海飛行數(shù)據(jù)為例，考慮海浪頻譜一般在0.4～100之間，為了有效濾波，選ωn=0.2，且令，聯(lián)合公式（11），可得控制系統(tǒng)各參數(shù)值：k1=1.24、k2=0.28、k3=0.04。為防止積分信號(hào)飽和、造成系統(tǒng)失控，對(duì)其進(jìn)行遇限削弱積分處理。

某無(wú)人機(jī)對(duì)海飛行中，垂向加速度和無(wú)線電高度表高度測(cè)高數(shù)據(jù)分別如圖2、圖3所示。先對(duì)無(wú)線電高度表測(cè)高進(jìn)行濾波預(yù)處理，再與垂向加速度信號(hào)進(jìn)行組合控制，輸出的組合高度如圖3所示。

從圖3可以看出，組合高度能有效濾除無(wú)線電高度表測(cè)高數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，且能較好跟蹤海面變化。

再將組合高度與常用的低通濾波器濾波效果進(jìn)行比較。低通濾波器頻率也選為0.2rad/s，無(wú)線電高度表測(cè)高信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后，輸出濾波值與組合高度對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，組合高度比低通濾波高度更平穩(wěn)、信噪比更高。

由于無(wú)線電高度表測(cè)高量程有限，無(wú)人機(jī)高空飛行時(shí)，采用氣壓高度測(cè)高信號(hào)與加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程與上述一致，不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)氣壓高度表、無(wú)線電高度表及加速度計(jì)三種傳感器測(cè)高信號(hào)組合方案進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明，抗飽和積分反饋組合高度控制方法，既能利用無(wú)線電高度表在低空測(cè)高信號(hào)精度高的優(yōu)點(diǎn)，又能利用氣壓高度表在高空測(cè)高信號(hào)精度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能在無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)迅速切除無(wú)線電或氣壓高度表、高度信息，僅依靠加速度計(jì)積分得到的高度信息進(jìn)行控制，完成機(jī)動(dòng)后，再恢復(fù)三者的組合，從而提高高度控制系統(tǒng)的可靠性。

[1]嵇越.無(wú)人機(jī)高度信息融合技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014,9.

[2]朱曉娟.一種無(wú)人機(jī)高度傳感器信息融合方法[J].航空學(xué)報(bào),2008,5.

[3]謝勇.某無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量系統(tǒng)融合方法[J].兵工自動(dòng)化,2008,5.

[4]柳愛(ài)利.濾波方法在反艦導(dǎo)彈高度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2011,10.

[5]王連俊.飛航導(dǎo)彈自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)宇航出版社,1991,3.

>>>作者簡(jiǎn)介

胡牡丹，女，1985年出生，2010年畢業(yè)于寧波大學(xué)，碩士，工程師，現(xiàn)從事制導(dǎo)與控制研究工作。

A Combined Altitude Design Method for Unmanned Aerial Vehicle

Hu Mudan,Tang Xiaoping,Li Zhijun，Li Wei，Li Ling
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

An integrated altitude design method combining three height finding signals (barometric altimeter,radio altimeter and accelerometer)is developed to acquire correct altitude information of Unmanned Aerial Vehicle when flying in relatively large airspace Firstly,this paper analyzes on the charactoristics of each sensor,and then carries out pre-process of filtration based on the characteristics of height finding model,finally combined altitude is acquired by means of anti-saturation and integral feed combined altitude contral method.The simulation test,show that the combined altitude with higher signal-to-noice ratio is more smooth than common used low pass filtration,and it can meet the flying requirements in large airspace.

Unmanned Aerial Vehicle;Radio Altitude;Accelerometer;Combined Altitude

2017-03-19）