一種基于多傳感器信息的無人直升機空地狀態(tài)判定方法

汪真才，嚴(yán)峰，張思

中國直升機設(shè)計研究所

針對無人直升機自主起降過程的特點和需求，本文分析傳統(tǒng)空地狀態(tài)判定方法的缺點，結(jié)合無人直升機對空地狀態(tài)準(zhǔn)確性要求高的特點，提出一種基于多傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法，適用于各種無人直升機和有人直升機的空地狀態(tài)判定，提升無人直升機的飛行安全性。

隨著電傳飛控系統(tǒng)的發(fā)展及其在無人直升機中的廣泛應(yīng)用，飛行過程對檢測系統(tǒng)的性能與可靠性的要求越來越高，而檢測系統(tǒng)的性能會直接影響電傳飛控系統(tǒng)的功能和性能，從而影響無人直升機的整體性能和飛行安全。

飛行器許多機載系統(tǒng)須采集空地狀態(tài)信息，以實現(xiàn)對應(yīng)機載系統(tǒng)的控制。例如，剎車控制系統(tǒng)采集輪載信號來判斷空地狀態(tài)，實現(xiàn)地面剎車控制；近地預(yù)警設(shè)備利用空地信號觸發(fā)告警等信息。另外，飛行控制系統(tǒng)的一些重要控制邏輯判斷也須要空地狀態(tài)信息，因此空地狀態(tài)信息已成為越來越重要的機載公共信息源，空地狀態(tài)的檢測及判定結(jié)果將直接關(guān)聯(lián)地面和空中系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法的缺點

目前，無人直升機基本上僅根據(jù)輪載信號來判定空地狀態(tài)，而空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性將直接影響無人直升機的飛行安全。軍民用無人直升機的起落架控制系統(tǒng)可提供關(guān)/開形式的輪載信號，用于表征起落架的接地與空中狀態(tài)。然而，基于輪載信號的空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性不高，以及輪載傳感器一旦發(fā)生故障，無人直升機的空地狀態(tài)得不到正確的判斷。無人直升機具有飛行速度快、機動性高等特點，在進(jìn)行自主飛行時，尤其是自主起飛與降落過程對空地狀態(tài)判定結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性要求極高。然而，在不同環(huán)境下，基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法存在可靠性低的問題，無人直升機將面臨一定的飛行安全風(fēng)險，因此基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法具有一定的改進(jìn)空間。

飛行器空地狀態(tài)判定方法有待改進(jìn)

目前，有關(guān)飛行器空地狀態(tài)檢測及判定方法研究的文獻(xiàn)較少。大部分飛行器空地狀態(tài)判定均采用基于輪載信號的方法，目前許多學(xué)者及技術(shù)人員提出了相關(guān)優(yōu)化方案。

為提升輪載信號故障定位方法的便捷性，有學(xué)者提出了一種輪載信號地面檢測設(shè)備。在飛行器機載設(shè)備不替換的情況下，這種地面檢測設(shè)備可快速定位輪載信號的故障通路。然而，該方案僅提高了輪載信號故障定位的速度，基于單傳感器信號的空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性并未得到提升。

針對帶有起落架緩沖支柱的有人機，另有學(xué)者提出了一種起落架輪載信號檢測裝置，該裝置適用于安裝有伸縮式緩沖支柱的飛行器。根據(jù)緩沖支柱行程伸縮的變化，飛行器起落架緩沖支柱處安裝的輪載傳感裝置可實現(xiàn)空地狀態(tài)檢測及判斷，并輸出對應(yīng)的狀態(tài)信號，飛行控制系統(tǒng)收到狀態(tài)信號后，實現(xiàn)與空地狀態(tài)相對應(yīng)的控制邏輯。在飛行器起降過程中，緩沖支柱伸縮具有變化的特征。設(shè)計人員將接近傳感器和靶標(biāo)設(shè)計在適當(dāng)?shù)陌惭b位置，使接近傳感器和靶標(biāo)的感應(yīng)距離能靈敏地隨緩沖支柱的伸縮而變化，再判斷兩者感應(yīng)距離是否在預(yù)設(shè)距離內(nèi)，來實現(xiàn)空地狀態(tài)判斷。為了減少誤判，緩沖支柱的伸縮須要一個合理的運動間距，而不同飛行器不一定都安裝緩沖支柱，特別是無人機，其起落架的大小、功能、安裝設(shè)計等都不相同。因此，這種起落架空地狀態(tài)檢測裝置的通用性有待優(yōu)化。

為改善起落架輪載信號檢測裝置的通用性，其他學(xué)者提出了一種起落架輪載信號裝置和判定方法。該裝置利用霍爾元件組獲得信號盤的狀態(tài)，并通過信號盤的展開狀態(tài)及轉(zhuǎn)速來判斷飛行器的空地狀態(tài)，具有較高靈敏度。由于該裝置安裝在現(xiàn)有飛行器的機輪上，而機輪輪徑種類比起落架種類更少，所以通用性有待改善。另外，在判定空地狀態(tài)時，該裝置要求機輪著地和離地時產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，才能保證信號的準(zhǔn)確性。因此，對具有垂直起降功能的直升機而言，該起落架輪載信號檢測裝置及判斷方法的可靠性不高。

上述基于起落架輪載信號的空地狀態(tài)判定裝置及方法擁有一個共同特點，即空地狀態(tài)判定基于單傳感器信息，用于復(fù)雜環(huán)境下起降的有人直升機尤其是無人直升機的空地狀態(tài)判定，存在較高風(fēng)險。

為完善基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法，一些學(xué)者提出了一種基于速度保護(hù)的輪載信號使用方法，基于飛行器離地速度和預(yù)定值的滯環(huán)環(huán)節(jié)構(gòu)成了輪載信號的速度保護(hù)范圍。該方法將速度保護(hù)范圍轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動壓范圍，將標(biāo)準(zhǔn)動壓范圍與輪載信號相結(jié)合，對飛行器空地狀態(tài)進(jìn)行判定。相比基于單一輪載信號的方法，基于速度保護(hù)的輪載信號使用方法增加了一種傳感器信息，狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性有所提升。但是，該方法須要根據(jù)飛行器的不同起飛重量，計算不同外掛構(gòu)型的飛行器離地速度，將校正空速轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動壓，以進(jìn)行空地狀態(tài)判定，且校正空速轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動壓的計算過程會影響判定結(jié)果的實時性。因此，對起飛速度不高的飛行器或者直升機來說，該判定方法不適用。

基于多傳感器信息的無人直升機空地狀態(tài)判定方法

為避免單類傳感器故障影響無人直升機的飛行安全，本文提出一種基于多傳感器信息的無人直升機空地狀態(tài)判定方法。本文實施例采用的無人直升機空地狀態(tài)判定方法，融合了無線電高度信號和超聲波高度信號，可提供實時、精準(zhǔn)、可靠的空地狀態(tài)標(biāo)志，適用于各類無人直升機和有人直升機空地狀態(tài)判定，目前已應(yīng)用于無人直升機的空地狀態(tài)判定，提升了空地狀態(tài)信號的可靠性?；诙鄠鞲衅餍畔⒌臒o人直升機空地狀態(tài)判定方法涉及三個流程。

一是傳感器信息類型選取以及各類傳感器信息的測量值采集。

二是傳感器信息處理。

三是傳感器信息融合后空地狀態(tài)判斷。

對有人直升機而言，飛行員判斷空地狀態(tài)的重要依據(jù)之一是高度信息。直升機高度值直接反映了直升機的空地狀態(tài)。因此，本文實施例對無人直升機加入多種高度狀態(tài)信號，并結(jié)合機載輪載信號，來準(zhǔn)確判定無人直升機的空地狀態(tài)。

傳感器信息類型選取及測量值采集

高度傳感器信息包括對地測量類、空間定位類、氣壓類。在無人直升機起降時，空間定位類和氣壓類高度信息的精準(zhǔn)性及實時性欠佳，因此本文實施例中的高度傳感器信息采用對地測量類信息，即無線電高度信號和超聲波高度信號。另外，前輪輪載開關(guān)、左右后輪輪載開關(guān)傳感器分別提供三路輪載信號。

空地狀態(tài)判定系統(tǒng)由飛行控制與管理計算機、超聲波高度表、無線電高度表和輪載開關(guān)傳感器等機載設(shè)備組成，系統(tǒng)模塊組成如圖1所示。飛行控制與管理計算機作為多傳感器信息處理中心，實現(xiàn)空地狀態(tài)判定邏輯程序運行。其他傳感器裝置作為信息采集設(shè)備，向飛行控制與管理計算機輸入無人直升機三路開關(guān)量輪載信號、數(shù)字量無線電高度信號以及模擬量超聲波高度信號。

圖1 空地狀態(tài)判定系統(tǒng)模塊組成框架圖。

傳感器數(shù)據(jù)信息處理

飛行控制與管理計算機收到數(shù)據(jù)信息后，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對三種傳感器信息進(jìn)行跳點剔除、均值濾波等數(shù)據(jù)處理，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。飛行控制與管理計算機實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)信息的有效性判斷及預(yù)處理。本文實施例采用如下數(shù)據(jù)處理方法。

（1）空缺數(shù)據(jù)處理

實測數(shù)據(jù)補充方法為：

其中n為取樣點數(shù)。

（2）異點剔除處理

采用移動平均方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理。設(shè)yt表示實測數(shù)據(jù)值，Yt+1表示預(yù)測值，N為經(jīng)過移動平均計算的歷史數(shù)據(jù)數(shù)目，j=1,2,3,……,N。預(yù)測值表示為

傳感器信息融合后空地狀態(tài)判斷

本實施例在飛行控制與管理計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判定算法計算，得出空地狀態(tài)判定結(jié)果?？盏貭顟B(tài)判定方法工作流程詳見圖2。

圖2 空地狀態(tài)判定方法工作流程圖。

首先，飛行控制與管理計算機對無人直升機三路輪載信號進(jìn)行判斷（三判二冗余表決），得到輪載綜合信號，若有兩個及以上輪載信號為空中信號，則置輪載綜合信號為空中；若其中兩個及以上輪載信號為地面信號，則置輪載綜合信號為地面。

其次，綜合信息判斷機構(gòu)再將無線電高度信號、超聲波高度信號進(jìn)行空地狀態(tài)閾值條件判斷，隨后對輪載綜合信號進(jìn)行綜合判斷，得到最終空地狀態(tài)標(biāo)志。

（1）傳感器信息有效性分析及處理流程

在對空地狀態(tài)進(jìn)行判斷前，飛控計算機先判斷各傳感器信息數(shù)據(jù)的有效性，若數(shù)據(jù)有效則進(jìn)入空地狀態(tài)綜合判斷，若無效則不參與綜合判斷。信息處理流程如下所述。

①三種傳感器信息都有效時，飛控計算機對各傳感器空地狀態(tài)信號進(jìn)行三判二冗余表決，邏輯圖詳見圖3。

②僅兩種傳感器信息有效時，飛控計算機對兩種傳感器空地狀態(tài)信號進(jìn)行二判二冗余表決，流程圖詳見圖4。

圖3 三種傳感器空地狀態(tài)信號綜合判斷邏輯圖。

圖4 兩種傳感器空地狀態(tài)信號判定邏輯圖。

③僅一種傳感器信息有效時，綜合信息判斷機構(gòu)直接輸出該傳感信號的空地狀態(tài)。

④三種傳感器信息都無效時，綜合信息判斷機構(gòu)直接置空地狀態(tài)為空中，實現(xiàn)安全保護(hù)。

另外，當(dāng)無人直升機飛行高度到達(dá)一定高度H時，該高度為無人直升機在空中的安全飛行高度，則空地狀態(tài)信號判定邏輯取消執(zhí)行，以進(jìn)一步提升飛行安全性。

（2）各傳感器信號的空地狀態(tài)判定方法

無線電高度信號與超聲波高度信號的空地狀態(tài)綜合判斷條件如下所述。

①無線電高度小于A1，超聲波高度小于A2，輪載信號經(jīng)三判二后的綜合信號為地面作為三個判斷條件，若上述兩個或三個條件成立，則空地狀態(tài)置為地面。

②無線電高度大于B1，超聲波高度大于B2，輪載信號經(jīng)三判二后的綜合信號為空中作為三個判斷條件，若上述兩個或三個條件成立，則空地狀態(tài)置為空中。

③無線電高度大于A1且小于B1，超聲波高度大于A2且小于B2時，各傳感器信號對應(yīng)的空地狀態(tài)保持上拍結(jié)果。

其 中A1＜B1，A2＜B2，B1、B2＜H且A、B取值由無人直升機高度傳感器的安裝位置確定。各傳感器信號有效性及闕值判斷邏輯詳見圖5。

圖5 各傳感器信號有效性及闕值判斷邏輯圖。

結(jié)論

本文提出的方法增加了空地狀態(tài)判定的標(biāo)志依據(jù)，能夠結(jié)合無人直升機多種狀態(tài)特征來綜合判定空地狀態(tài)，可有效防止因單一狀態(tài)信息無效導(dǎo)致的空地狀態(tài)無法判定或誤判，狀態(tài)檢測準(zhǔn)確率有所提高，同時提高了飛行控制與管理系統(tǒng)的可靠性與無人直升機的飛行安全性。本文實施例中的高度傳感器信息源選取與數(shù)據(jù)處理方法不固定，可根據(jù)不同機型的特點靈活調(diào)整。該方法已應(yīng)用于無人直升機的空地狀態(tài)判斷，具有一定應(yīng)用前景。