一种无人机机巢姿态感知闭环调平控制系统的制作方法

本发明涉及工业自动化控制及姿态感知，具体为一种无人机机巢姿态感知闭环调平控制系统。

背景技术：

1、现有无人机机巢调平控制通常由姿态检测、控制运算和执行调节三部分构成。姿态检测部分利用机巢已有姿态感知数据获取俯仰角、横滚角及其变化量，控制器对采样序列进行均值滤波、低通滤波或滑动窗口处理，并将滤波后的姿态偏差与预设水平基准比较；当偏差超过允许范围时，按照比例积分微分控制、分段控制或固定步长控制生成调平指令，再依据各调平执行通道与俯仰方向、横滚方向之间的预设对应关系驱动执行机构动作。部分方案还结合执行位移反馈修正控制量，或者在无人机到位信号出现后延时启动调平，以减少起降过程对控制回路的影响。此类方案通常将经过滤波的姿态数据视为机巢真实倾斜状态，并通过固定滤波带宽、固定积分参数或固定延时时间抑制短时波动，调平结束后再以姿态偏差是否进入容许区间作为停止条件。

2、无人机进入机巢并完成停靠时，姿态感知序列同时包含由地面沉降、安装基准漂移和长期偏载形成的慢变倾斜分量，以及由接触冲击、重心转移、结构振动和载荷重新分布形成的瞬态扰动分量，两类分量在时间上相互叠加且幅值区间可能重合。现有控制方式依赖固定滤波或固定延时，不能依据接触前、接触过程、载荷稳定和离巢恢复等阶段的动力学差异确定各姿态变化的来源。当滤波响应较快时，控制器会把接触冲击和短时振动作为持续失平进行积分和反向调节；当滤波响应较慢或延时时间较长时，持续倾斜又不能及时进入闭环控制。因此，现有技术的主要技术问题在于无法在无人机停靠动态过程中从同一姿态感知序列中分离持续倾斜与瞬态载荷扰动，并据此形成与停靠阶段相匹配的闭环调平指令。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无人机机巢姿态感知闭环调平控制系统，可以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种无人机机巢姿态感知闭环调平控制系统，包括姿态感知数据处理链路、停靠阶段判别处理器、双时间尺度姿态状态观测器、调平指令生成处理器及执行反馈接口；

4、所述姿态感知数据处理链路用于对机巢姿态数据、调平执行反馈及无人机停靠状态数据进行统一时标对齐；

5、所述停靠阶段判别处理器依据姿态变化率、角加速度突变、执行反馈残差及停靠状态数据确定接触前阶段、接触阶段、载荷稳定阶段和离巢恢复阶段；

6、所述双时间尺度姿态状态观测器在各阶段对应的状态转移约束下，将姿态状态分解为持续倾斜分量和瞬态载荷扰动分量；

7、所述调平指令生成处理器依据所述持续倾斜分量、瞬态载荷扰动分量及阶段标识生成受约束调平指令，并通过所述执行反馈接口取得调平后的姿态残差以更新所述双时间尺度姿态状态观测器。

8、优选的，所述停靠阶段判别处理器建立由姿态变化率序列、角加速度突变序列、执行反馈残差序列和停靠状态事件序列构成的联合事件窗口；

9、对所述联合事件窗口内各序列进行时间偏移补偿，并按照事件先后约束形成接触候选点集合；

10、依据接触候选点前后的姿态变化连续性、执行反馈静默区间及停靠状态转移关系，确定接触起始边界和载荷稳定边界；

11、将所述接触起始边界之前的数据标记为接触前阶段，将两边界之间的数据标记为接触阶段，将载荷稳定边界之后且离巢事件之前的数据标记为载荷稳定阶段，并将离巢事件之后的恢复数据标记为离巢恢复阶段。

12、优选的，所述双时间尺度姿态状态观测器包括慢变状态通道和快变状态通道；

13、所述慢变状态通道对经统一时标对齐的姿态序列执行分段稳健趋势估计，并在接触阶段冻结趋势斜率更新，在载荷稳定阶段恢复趋势斜率递推，以得到持续倾斜分量；

14、所述快变状态通道依据姿态实测值与所述持续倾斜分量之间的差值构造扰动状态，并结合角加速度突变和执行反馈残差对扰动状态进行递推；

15、所述双时间尺度姿态状态观测器按照各阶段对应的状态协方差约束和通道更新使能关系，输出持续倾斜分量、瞬态载荷扰动分量及对应的不确定度表征。

16、优选的，所述调平指令生成处理器设置瞬态扰动补偿通道和持续偏差闭环通道；

17、所述瞬态扰动补偿通道依据所述瞬态载荷扰动分量生成限幅前馈量，并在接触阶段禁止所述限幅前馈量改变调平动作方向；

18、所述持续偏差闭环通道依据所述持续倾斜分量生成俯仰方向和横滚方向的调平控制量，并按照阶段标识配置积分保持、积分释放及反向切换约束；

19、所述调平指令生成处理器将两通道输出合成为候选调平指令，依据执行行程、动作速率和相邻控制周期方向一致性约束筛选候选调平指令，并将筛选结果发送至机巢调平执行机构。

20、优选的，所述停靠阶段判别处理器针对接触起始边界和载荷稳定边界分别设置前向确认区间与后向确认区间；

21、在所述前向确认区间内对姿态变化率与角加速度突变的时间邻接关系进行验证，在所述后向确认区间内对执行反馈残差衰减趋势及停靠状态持续性进行验证；

22、当任一边界未同时通过前向验证和后向验证时，保留前一阶段标识并延长联合事件窗口；

23、当边界连续通过预设次数的双向验证时，锁定对应边界，并设置禁止回跳区间；

24、所述禁止回跳区间结束后，仅在离巢事件或新的接触候选点满足时间先后约束时解除边界锁定。

25、优选的，所述慢变状态通道将姿态序列划分为由阶段边界限定的多个数据段，对各数据段分别建立带方向一致性约束的局部趋势项，并通过相邻数据段端点连续条件连接局部趋势项；

26、所述快变状态通道将姿态实测值与所述局部趋势项之差分解为衰减扰动项和稀疏冲击项，依据角加速度突变位置限定稀疏冲击项的非零区间，依据执行反馈残差的衰减方向限定所述衰减扰动项的更新方向；

27、在载荷稳定阶段，将未进入所述非零区间且持续超过阶段确认区间的剩余偏差并入局部趋势项，并同步修正所述持续倾斜分量与所述瞬态载荷扰动分量。

28、优选的，所述持续偏差闭环通道根据持续倾斜分量构造由粗调步、收敛步和保持步组成的多步调平序列；

29、所述粗调步限定为与所述持续倾斜分量方向一致且不触发反向切换的控制量，所述收敛步依据前一控制周期的姿态残差与执行反馈位移之间的对应关系修正控制增量，所述保持步在姿态残差进入保持区间后锁定积分状态；

30、当瞬态载荷扰动分量超过所述持续倾斜分量的不确定度范围时，暂停所述粗调步和所述收敛步，仅保留满足动作方向一致性约束的限幅前馈量，并在载荷稳定边界锁定后恢复未完成的多步调平序列。

31、优选的，所述执行反馈接口将每一调平指令对应的执行位移增量、指令发出时刻、姿态响应起始时刻及姿态响应终止时刻组成控制响应样本；

32、所述调平指令生成处理器依据所述控制响应样本计算持续倾斜预测变化量与实际姿态变化量之间的姿态残差，并按照阶段标识将姿态残差分别写入接触阶段残差缓存和载荷稳定阶段残差缓存；

33、所述双时间尺度姿态状态观测器仅使用载荷稳定阶段残差缓存更新慢变状态通道，仅使用接触阶段残差缓存更新快变状态通道，并在两类残差的符号连续冲突时暂停对应通道更新。

34、优选的，所述慢变状态通道针对每一局部趋势项设置由阶段边界可信度、端点连续残差和非零区间占比共同确定的趋势更新权重；

35、在接触起始边界或载荷稳定边界处于未锁定状态时，保持前一数据段的趋势更新权重并禁止新增局部趋势项；

36、在边界锁定后，按照端点连续残差由大到小的顺序对相邻局部趋势项执行递进连接，并将超出连续条件允许范围的差值转移至衰减扰动项；

37、当所述非零区间占比连续增加时，降低对应数据段的趋势更新权重并延迟剩余偏差并入局部趋势项，直至稀疏冲击项的非零区间退出阶段确认区间。

38、优选的，所述双时间尺度姿态状态观测器为慢变状态通道和快变状态通道分别建立残差更新队列，并在每一残差更新队列中记录阶段标识、调平指令方向、执行位移增量及姿态残差符号；

39、当同一阶段内姿态残差符号与调平指令方向连续不一致时，冻结对应残差更新队列并回退至冻结前的观测状态；

40、依据后续控制响应样本中所述执行位移增量与姿态变化方向的一致关系选择恢复慢变状态通道、恢复快变状态通道或同时保持冻结；

41、在载荷稳定边界再次锁定且连续控制响应样本满足方向一致关系后，按时间顺序释放所述残差更新队列中的有效样本。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

43、1.通过对姿态感知数据、调平执行反馈和无人机停靠状态数据进行统一时标对齐，并依据姿态变化率、角加速度突变、执行反馈残差及停靠状态转移确定接触前阶段、接触阶段、载荷稳定阶段和离巢恢复阶段，可为不同姿态变化建立对应的时间边界。双时间尺度姿态状态观测器在阶段约束下分别输出持续倾斜分量和瞬态载荷扰动分量，调平指令生成处理器据此在接触阶段保持积分状态、限制动作反向并对瞬态扰动实施限幅处理，在载荷稳定后释放持续偏差闭环并生成多步调平序列。由此，接触冲击和短时振动不再直接累积为持续控制量，地面沉降、安装基准漂移或稳定偏载形成的姿态偏差能够在对应阶段进入闭环校正，使控制回路避免追随可自行衰减的快速变化，同时缩短对真实失平状态的等待时间，解决动态停靠条件下两类姿态分量混叠所造成的错误调平问题。

44、2.接触起始边界和载荷稳定边界通过前向确认区间、后向确认区间及禁止回跳区间进行锁定，可减少阶段标识在冲击衰减过程中反复切换。慢变状态通道采用分段趋势项并利用端点连续条件连接相邻数据段，快变状态通道将剩余姿态偏差划分为衰减扰动项和稀疏冲击项，使阶段边界附近的姿态突变不会直接并入长期倾斜状态。调平过程中，粗调步、收敛步和保持步按照姿态残差与执行位移反馈逐级更新，执行反馈接口形成包含指令时刻、位移增量及姿态响应区间的控制响应样本，并将接触阶段残差与载荷稳定阶段残差分别用于快变状态通道和慢变状态通道的更新。残差符号与调平指令方向连续不一致时，对应更新队列被暂时冻结并回退至前一观测状态，限制异常响应对后续状态估计和控制量生成的连续传播，保持停靠、调平及离巢转换过程中的控制状态连续。