一种车载系留无人机导引控制系统和方法与流程

1.本发明属于车载系留无人机控制领域，具体涉及一种车载系留无人机导引控制系统和方法。


背景技术：

2.现有技术中，无人机具有操作简单、机动性强、可垂直起降等优点得到了广泛的应用。然而无人机续航时间有限，无法长时间飞行，特别是在边防巡逻时，需要沿着边防线长时间巡逻侦查，现有的系留无人机，将无人机固定在车辆上，可以解决以上问题。
3.但是车载系留无人机不仅需要满足车辆和无人机各自的机动性需求，还要保证在车辆运行过程中可以实现系留无人机的自动起飞、伴随车辆飞行及在车辆行进过程中可精准降落在车上，因此，亟需提供一种导引控制系统和控制方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种车载系留无人机导引控制系统和方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。
5.一种车载系留无人机导引控制系统，所述导引控制系统包括卫导定位差分子系统、视觉定位子系统和控制跟踪子系统，
6.其中，所述卫导定位差分子系统连接视觉定位子系统；所述卫导定位差分子系统和视觉定位子系统均连接所述控制跟踪子系统，
7.在车辆能够被定位时，所述卫导定位差分子系统对所述车辆进行定位和差分处理，得到车辆的位置信息和速度信息；
8.在所述车辆不能被定位时，所述视觉定位子系统获取所述车辆的运动信息，并对所述车辆的运动信息进行进一步的处理，得到车辆的位置信息和速度信息；
9.所述控制跟踪子系统用于对接收的所述位置和速度信息进行处理，从而得到对所述无人机的飞行控制信息。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述卫导定位差分子系统包括相互连接的车载定位差分子系统和机载定位差分子系统；所述视觉定位子系统包括车载定位定向子系统和机载视觉定位导航子系统。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述车载定位差分子系统包括卫星导航接收板卡和双卫星导航天线；所述车载定位定向子系统包括里程计和惯导模块。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述车辆能够被定位时，所述卫星导航接收板卡与双卫星导航天线和惯导模块组合得到所述车辆的卫导差分信息，并将所述卫导差分信息发送给所述机载定位差分子系统进行处理；在所述车辆不能被定位时，所述里程计和惯导模块组合得到所述车辆的运动信息，并将所述运动信息上传给所述机载视觉定位导航子系统进行处理。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制跟踪子系统采用串级pid控制结构，对所述位置和速度信息进行pid控制，得到所述无人机的飞行控制信息。
14.本发明还提供了一种车载系留无人机导引控制方法，所述方法采用本发明所述的车载系留无人机导引控制系统来实现，包括如下步骤：
15.s1.控制跟踪子系统从所述卫导定位差分子系统或视觉定位子系统得到所述车辆的位置和速度信息及所述无人机的位置、线速度和角速度；
16.s2.串级pid控制结构包括内环和外环，所述内环包括串联的姿态环和角速度环，所述外环包括串联的位置环和速度环，将所述车辆的位置和速度信息分别前馈至所述外环中的所述位置环和速度环；
17.s3.在所述外环中将所述车辆位置、速度与无人机的位置、线速度进行控制，得到指令姿态角；
18.s4.在所述内环中将所述指令姿态角与所述无人机的姿态角、姿态角速度进行控制，最终得到控制所述无人机飞行的指令信号。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3具体包括：
20.s31.将所述位置与所述无人机位置产生的距离之差作为位置环的输入,输出产生指令速度，如下式所示:
[0021]vd
＝k
ps
*(s
d-s)其中,sd为车辆的位置,s为飞机位置,k
ps
为位置环的比例控制参数,vd为无人机指令速度；
[0022]
s32.将指令速度vd与所述车辆的速度求和并减去无人机的速度，将所得的结果作为所述速度环的输入，计算输出产生指令姿态角，如下式所示：
[0023]
θd＝-k
pv
*(vd v
c-v)-k
iv
*∫(vd v
c-v) k
dv
*a，其中,vd为指令速度,vc为车辆的速度,v为无人机的线速度,k
pv
为速度环的比例控制参数,k
iv
为积分参数，k
dv
为微分参数，a为所述无人机的线加速度，θd为无人机的指令姿态角。
[0024]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s4具体包括：
[0025]
s41.以指令姿态角θd及无人机的实时姿态角之差作为所述姿态环的输入，其输出产生指令姿态角速率，如下式所示：
[0026]
ωd＝k
pθ
*(θ
d-θ)，其中,θd为指令姿态角,θ为飞机姿态角,k
pθ
为姿态环的比例控制参数,ωd为指令姿态角速率；
[0027]
s42.将指令姿态角速率ωd作为所述角速度环的输入，其输出产生执行指令信号u0，采用该指令信号u0控制所述无人机的飞行，从而达到导引控制目的。
[0028]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s42中，所述指令信号u0通过下式得到：
[0029]
u0＝-k
pω
*(ω
d-ω)-k
iω
*∫(ω
d-ω) k
dω
*α
ω
，其中，ωd为指令姿态角速率，ω为无人机的姿态角速率，k
pω
为角速度环的比例控制参数，k
iω
为角速度环的积分控制参数，k
dω
为角速度环的微分控制参数，a
ω
为无人机的姿态角加速度。
[0030]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述无人机
的线加速度通过第一跟踪微分器反馈至所述速度环作第一阻尼项；所述无人机的角加速度通过第二跟踪微分器反馈至所述角速度环作第二阻尼项。
[0031]
本发明的有益效果
[0032]
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
[0033]
(1)无人机鲁棒性增强，本发明的控制系统保证系留无人机在风和线缆扰动情况下的飞行安全；
[0034]
(2)实时前馈相对位置信息，无人机可稳定跟踪车辆，并可稳定在车辆行进中起飞、伴随飞性及动中精准降落车上；
[0035]
(3)可及时预估无人机的运动趋势，实时估计无人机的线加速度和角加速度，使无人机反应迅速，响应快；
[0036]
(4)适用性强，适用于多种旋翼(四旋翼、六旋翼、八旋翼等等)的无人机，可随车动中起飞、伴随飞行和动中降落。
附图说明
[0037]
图1为本发明的实施例中车载系留无人机导引控制示意图；
[0038]
图2为本发明的实施例中控制跟踪子系统示意图。
具体实施方式
[0039]
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0040]
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0042]
如图1所示为本发明的整体框架,本发明为一种车载系留无人机导引控制系统，面向本发明的系统不限制具体运行的硬件和编程语言，用任何语言编写都可以完成，为此其他工作模式不再赘述。
[0043]
本发明的车载系留无人机导引控制系统，包括卫导定位差分子系统、视觉定位子系统和控制跟踪子系统，
[0044]
其中，所述卫导定位差分子系统连接视觉定位子系统；所述卫导定位差分子系统和视觉定位子系统均连接所述控制跟踪子系统，
[0045]
在车辆能够被定位时，所述卫导定位差分子系统对所述车辆进行定位和差分处理，得到车辆的位置和速度信息；
[0046]
在所述车辆不能被定位时，所述车载定位定向子系统对车辆的运动进行处理，获取所述车辆的运动信息，上传至机载视觉定位导航子系统，所述机载视觉定位导航子系统用于对所述车辆的运动信息进行处理，得到车辆的位置和速度信息；
[0047]
所述控制跟踪子系统用于对接收的车辆的位置和速度信息进行处理，从而得到对所述无人机的飞行控制信息。
[0048]
也就是说，本发明的导引控制系统为双冗余导引系统，即在车辆能够被定位时，卫导定位差分子系统可单独进行使用；在车辆无法被定位时，视觉定位子系统起作用，其中包括的车载定位定向子系统与机载视觉定位导航子系统结合起来使用；卫导定位差分子系统为主导引模块，视觉定位系统为辅助引导模块，从而使得无人机可稳定获取车辆的位置信息。
[0049]
优选地，本发明的实施例中所述卫导定位差分子系统装载在车辆上和无人机上，包括相互连接的装载在车辆上的车载定位差分子系统和无人机上的机载定位差分子系统，车载定位差分子系统包括卫星导航接收板卡、双卫星导航天线；本发明的实施例中所述视觉定位子系统，包括车载定位定向子系统和机载视觉定位导航子系统，其中车载定位定向子系统包括车载定位设备、里程计和惯导模块，可在车辆能够被定位和不定位条件下使用；机载视觉定位导航子系统包括机载定位设备和视觉导航设备。在车辆能够被定位情况下，由车载定位差分子系统的卫星导航接收板卡、双卫星导航天线与车载定位定向子系统的惯导模块进行松组合得到车辆的位置和速度信息，并将车辆的位置和速度信息上传至机载定位差分子系统进行差分处理；在车辆无法被定位的情况下，由车载定位定向子系统的里程计与惯导模块紧组合得到车辆的位置和速度信息，并将所述运动信息上传给所述机载视觉定位导航子系统进行处理，机载视觉定位导航子系统装载在无人机上，在无人机跟踪上车辆目标后，在车辆无法被定位的情况下，接收车载定位定向子系统发送的关于车辆的位置和速度信息，通过视觉导航子系统的内置算法可稳定提供车辆相对于视觉导引设备坐标系下的位置信息和速度信息，通过视觉导引设备坐标系与机载坐标系转换，可得到车辆的位置和速度信息，可供跟踪控制使用。
[0050]
优选地，本发明的导引控制系统可用于多种旋翼无人机，如四旋翼、六旋翼、八旋翼等等，可随车动中起飞、伴随飞行和动中降落等动作。
[0051]
优选地，本发明的所述控制跟踪子系统采用串级pid控制结构，对所述相对位置和速度信息进行pid控制，得到控制所述无人机的飞行控制信息。其中的串级pid控制结构，其内环为姿态控制和角速率控制两级串联；外环为位置控制和速度控制两级串联，总共是四级pid串联，如图2所示，其中的多旋翼对象在本实施例中为无人机。
[0052]
优选地，本发明还提供一种导引控制系统的控制方法，包括如下步骤：
[0053]
s1.控制跟踪子系统从所述卫导定位差分子系统或视觉定位子系统得到所述车辆的位置和速度信息及所述无人机的位置、线速度和角速度；
[0054]
s2.串级pid控制结构包括内环和外环，所述内环包括串联的姿态环和角速度环，所述外环包括串联的位置环和速度环，将所述车辆的位置和速度信息分别前馈至所述外环中的所述位置环和速度环；
[0055]
s3.在所述外环中将所述车辆位置、速度与无人机的位置、线速度进行控制，得到指令姿态角；
[0056]
s4.在所述内环中将所述指令姿态角与所述无人机的姿态角、姿态角速度进行控制，最终得到控制所述无人机飞行的指令信号。
[0057]
优选地，所述s3具体包括：
[0058]
s31.将所述车辆的位置与所述无人机位置的距离之差作为位置环的输入,输出产生指令速度，如下式所示:
[0059]vd
＝k
ps
*(s
d-s)，其中,sd为车辆的位置,s为飞机位置,k
ps
为位置环的比例控制参数,vd为无人机指令速度；
[0060]
s32.将指令速度vd与所述车辆的速度信息求和并减去所述无人机的速度，将所得的结果作为所述速度环的输入，计算输出产生指令姿态角，如下式所示：
[0061]
θd＝-k
pv
*(vd v
c-v)-k
iv
*∫(vd v
c-v) k
dv
*a，其中,vd为无人机指令速度,vc为车辆的速度,v为无人机的线速度,k
pv
为速度环的比例控制参数,k
iv
为积分参数，k
dv
为微分参数，a为所述无人机的线加速度，θd为无人机的指令姿态角。
[0062]
优选地，所述s4具体包括：
[0063]
s41.以指令姿态角θd及无人机的实时姿态角之差作为所述姿态环的输入，其输出产生指令姿态角速率，如下式所示：
[0064]
ωd＝k
pθ
*(θ
d-θ)，其中,θd为指令姿态角,θ为飞机姿态角,k
pθ
为姿态环的比例控制参数,ωd为指令姿态角速率；
[0065]
s42.将指令姿态角速率ωd作为角速度环的输入，其输出产生执行指令信号u0，采用该指令信号u0控制所述无人机的飞行，从而达到导引控制目的。
[0066]
优选地，所述s42中，所述指令信号u0通过下式得到：
[0067]
u0＝-k
pω
*(ω
d-ω)-k
iω
*∫(ω
d-ω) k
dω
*α
ω
其中，ωd为指令姿态角速率，ω为无人机的姿态角速率，k
pω
为角速度环的比例控制参数，k
iω
为角速度环的积分控制参数，k
dω
为角速度环的微分控制参数，a
ω
为无人机的姿态角加速度。
[0068]
优选地，无人机的线加速度通过第一跟踪微分器获取。
[0069]
优选地，角加速度由无人机的角速度通过第二跟踪微分器获取。
[0070]
优选地，所述无人机的线加速度通过第一跟踪微分器反馈至所述速度环作第一阻尼项；所述无人机的角加速度通过第二跟踪微分器反馈至所述角速度环作第二阻尼项。
[0071]
优选地，位置环采用位置p控制器来实现，速度环采用速度pid控制器来实现，姿态环采用姿态p控制器来实现，角速度环采用角速度pid控制器来实现。本发明的导引控制方法采用相对位置和速度信息作为前馈，并以无人机的线加速度和角加速度作为阻尼项，采用串级pid控制结构来进行控制，从而根据车辆与无人机之间的实时相对位置和速度来控制无人机的飞行，使得无人机实时得到车辆位置，稳定跟踪车辆；车辆在按一定速度行进过程中，无人机在车辆上可自动起飞并实时跟踪车辆；且车辆在按一定速度行进过程中，无人机可稳定跟踪车辆并降落在车辆上。本发明中的导引控制系统和控制方法使得无人机随车行进中可动中起飞、伴随飞行、动中精准降落等，且本发明的方法易于实现，适用性强，保证无人机飞行安全，从而提高旋翼无人机的可靠性。
[0072]
具体实施过程如下：
[0073]
其中，通过第一跟踪微分器实时计算线加速度：
[0074][0075][0076]
a＝x2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0077]
其中，wn是调试参数，当取无人机的速度状态量时，v’为新采集的飞机速度量，计算的x2＝a为无人机的线加速度；
[0078]
其中，通过第二跟踪微分器实时计算角加速度：
[0079][0080][0081]
α
ω
＝x2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0082]
其中，wn是调试参数，当取无人机的角速度状态量时，ω’为新采集的无人机角速度量，计算的x2＝α
ω
为无人机的角加速度。
[0083]
具体控制方法如下：
[0084]
1)、首先通过控制跟踪子系统得到车辆的位置和速度信息；
[0085]
2)、其次通过第一和第二跟踪微分器实时估计无人机的线加速度和角加速度值；
[0086]
3)、将车辆的位置和速度信息分别前馈至速度环和位置环组成前馈pid控制系统；再将无人机的线加速度反馈至速度环做第一阻尼项，无人机的角加速度反馈至角速度环做第二阻尼项，提高快速反应能力；
[0087]
4)、无人机的位置与车辆的位置的距离差作为位置输入,位置输入经过“位置环p控制”计算得到无人机指令速度，如下式所示:
[0088]vd
＝k
ps
*(s
d-s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0089]
其中,sd为车辆的位置,s为飞机位置,k
ps
为位置环的比例控制参数,vd为无人机指令速度；
[0090]
5)、将指令速度vd与所述车辆的速度求和并减去所述无人机的速度，将所得的结果作为所述速度环的输入，计算输出产生指令姿态角，如下式所示：
[0091]
θd＝-k
pv
*(vd v
c-v)-k
iv
*∫(vd v
c-v) k
dv
*a
ꢀꢀ
(8)，
[0092]
其中,vd为无人机指令速度,vc为车辆的速度,v为无人机的线速度,k
pv
为速度环的比例控制参数,k
iv
为积分参数，k
dv
为微分参数，a为所述无人机的线加速度，θd为无人机的指令姿态角；
[0093]
6)、指令姿态角θd及无人机的姿态角之差作为“姿态环p控制”的输入，经过“姿态环p控制”产生指令角速率，如下式所示：
[0094]
ωd＝k
pθ
*(θ
d-θ
p
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0095]
其中,θd为指令姿态角,θ
p
为无人机姿态角,k
pθ
为姿态环p控制器的比例控制参数,ωd为指令姿态角速率；
[0096]
7)、以指令姿态角速率ωd作为“角速度环pid控制”的输入，经过“角速度环pid控制”产生执行指令信号u0，输出给执行机构-电机，从而达到控制目的，如下式所示：
[0097]
u0＝-k
pω
*(ω
d-ω)-k
iω
*∫(ω
d-ω) k
dω
*α
ω
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0098]
其中，ωd为指令姿态角速率，ω为无人机的姿态角速率，k
pω
为角速度环的比例控制参数，k
iω
为角速度环的积分控制参数，k
dω
为角速度环的微分控制参数，a
ω
为无人机的姿态角加速度。
[0099]
8)、以上述指令信号u0控制无人机的飞行，通过以上控制可保证无人机具有良好
的跟踪车辆的效果，高度方向上通过固定爬升速率控制，控制无人机以一定的上升、下降速率进行高度控制爬升和下降，最终实现无人机的起降控制。
[0100]
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。