一種無人機組合高度設計方法

胡牡丹，唐小平，李智軍，李 維，李 皊

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

一種無人機組合高度設計方法

胡牡丹，唐小平，李智軍，李 維，李 皊

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

為得到較大空域條件下準確的無人機飛行高度信息，研究了一種氣壓高度表、無線電高度表及加速度計三種測高信號的組合高度設計方法。本文首先對各傳感器的特性進行了分析，并根據測高模型誤差特性，進行濾波預處理；再通過抗飽和積分反饋組合高度控制方法，得到組合高度。仿真結果表明，與常用低通濾波方法相比，組合高度信號更平穩、信噪比更高，可滿足較大空域飛行要求。

無人機；無線電高度表；加速度計；組合高度

0 引言

為了實現無人機在較大空域條件下的自主飛行，準確測量高度信息是其飛行控制系統的必要輸入條件。高度測量主要包括氣壓高度表、GPS、無線電高度表和加速度計四種傳感器。氣壓高度表受大氣壓力影響，其測量誤差會因高度的降低而增大，因此測量準確度難以保證；GPS定位準確度高，但由于其自身的定位原理使其具有測量數據更新慢以及因出現系統靜默而導致系統不可用等缺點[1]；無線電高度表測量精度高，但它測量范圍有限，而且測量得到的是飛行器至地面或海平面的相對高度，受地形或海面狀況的影響較大；加速度計能準確反映高度方向的速度變化情況，短時間內對速度積分得到的高度變化量有很高的精度，但長時間誤差會積累[2]。由此可見，各傳感器受自身測量特性的限制，在一定情況下測量精度不能滿足要求，所以依靠單一傳感器很難滿足無人機各種狀態下的高度精確定位需求。為了解決這一問題，綜合加速度計、氣壓高度表和無線電高度表三種測高元件的特點，本文提出了一種組合高度設計方法，有效利用各測高元件的高度信息，使得優勢互補，克服單傳感器測量精度不足的缺點。

1 傳感器特性分析

1.1 氣壓高度表

標準大氣模型是國際上統一采用的一種理想的大氣模型，其以標準海平面作為零高度，規定了大氣各參數與高度的關系。高度0～11km范圍內標準壓高公式如下[3]：

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

式中：H測量1（s）為氣壓高度表測量高度；H(s)為真實高度；ε1(s)為測量噪聲。

1.2 無線電高度表

無線電高度表是利用地面/海面對電磁波反射的原理來測量高度。電磁波是安裝在無人機上的無線電發射機通過發射天線向下發出，經過時間t由地面/海面反射之后被高度表接收天線接收。故無人機實際高度為：

式中，C為電磁波傳播速度；τ為電磁波從無人機到地面或海面再返回到無人機所用時間。

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

式中：H測量2（s）為無線電高度表測量高度；H(s)為真實高度。

1.3 加速度計

固定在無人機上的捷聯慣性導航系統的三個加速度計，可以分別測出坐標系三個方向的加速度。加速度計自主性強、可靠性高，不易受環境影響，短時間內工作測量精度高，但誤差積累也會使高度信號發散。無人機相對地面/海面的飛行高度h3、垂向速度Vg和垂向加速度ag之間的關系表示如下：

量測方程方程表示如下：

式中：H測量3（s）為量測高度；H(s)為真實高度；ε3(s)為加速度計測量噪聲。

2 無人機組合高度設計

針對無人機高度采集系統，組合高度設計思想為：首先各測高傳感器測高信號通過濾波器進行濾波預處理；再對濾波后高度信號進行組合設計：低空飛行時，用無線電高度表高度信號確定基準高度；高空飛行時，用氣壓高度表高度信號確定基準高度；用加速度計積分高度確定相對高度。

2.1 濾波預處理

傳感器量測噪聲通常為高頻噪聲，對無線電高度表信號和氣壓高度表信息采用低通濾波器進行濾波預處理。而慣性高度為加速度計信號二次積分后得到，其中積分有濾波作用，因此，對加速度計輸出的信號可以不進行濾波處理。

2.2 組合高度設計

組合高度設計中，無人機低空飛行時，以無線電高度濾波后信號為基準高度；無人機高空飛行時，以氣壓高度表濾波后信號為基準高度。因此，在組合高度初值裝訂時，低空裝訂無線電高度表初值、高空裝訂氣壓高度表初值。為使組合高度能平穩跟隨無線電高度或氣壓高度表測高信號，在垂向速度和垂向加速度中引入高度差負反饋[5]；同時，為減小系統穩態誤差，在垂向加速度中引入高度差積分負反饋信號，并對高度差PI綜合信號進行限幅處理，防止積分信號飽和。抗飽和積分反饋組合高度控制框圖見圖1。

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

2.3 控制系統分析

根據圖1可得輸入輸出關系如下：

化簡得：

穩態誤差為：

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

為方便應用，控制系統參數選擇過程中，可把系統設計成三階衰減振蕩型，即系統有一個實根，一對復根，于是：

則

三階系統的動態特性由系統的主導極點決定，可以把一對復根作為主導極點，一個實根作為附加極點。當n時，系統近似于二階系統。欠阻尼系統阻尼比ξ設計值一般為0.4～0.8之間，自振頻率ωn根據實際地形或海浪頻率進行設計。綜上，可設計出k1、k2、k3各參數值。

2.4 仿真分析

為驗證組合高度控制系統的有效性，本文針對無線電高度表輸出信號和加速度計信號進行組合仿真驗證。仿真中，以某無人機對海飛行數據為例，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，聯合公式（11），可得控制系統各參數值：k1=1.24、k2=0.28、k3=0.04。為防止積分信號飽和、造成系統失控，對其進行遇限削弱積分處理。

某無人機對海飛行中，垂向加速度和無線電高度表高度測高數據分別如圖2、圖3所示。先對無線電高度表測高進行濾波預處理，再與垂向加速度信號進行組合控制，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線電高度表測高數據中的干擾信號，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行比較。低通濾波器頻率也選為0.2rad/s，無線電高度表測高信號經過低通濾波器后，輸出濾波值與組合高度對比如圖4所示。

從圖4可以看出，組合高度比低通濾波高度更平穩、信噪比更高。

由于無線電高度表測高量程有限，無人機高空飛行時，采用氣壓高度測高信號與加速度計信號進行組合設計，控制系統參數設計過程與上述一致，不再贅述。

3 結語

本文對氣壓高度表、無線電高度表及加速度計三種傳感器測高信號組合方案進行了研究，仿真結果表明，抗飽和積分反饋組合高度控制方法，既能利用無線電高度表在低空測高信號精度高的優點，又能利用氣壓高度表在高空測高信號精度高的優勢，同時又能在無人機機動時迅速切除無線電或氣壓高度表、高度信息，僅依靠加速度計積分得到的高度信息進行控制，完成機動后，再恢復三者的組合，從而提高高度控制系統的可靠性。

[1]嵇越.無人機高度信息融合技術研究[J].電子設計工程，2014,9.

[2]朱曉娟.一種無人機高度傳感器信息融合方法[J].航空學報,2008,5.

[3]謝勇.某無人直升機高度測量系統融合方法[J].兵工自動化,2008,5.

[4]柳愛利.濾波方法在反艦導彈高度測量系統中的應用[J].艦船電子工程,2011,10.

[5]王連俊.飛航導彈自動控制系統[M].北京：中國宇航出版社,1991,3.

>>>作者簡介

胡牡丹，女，1985年出生，2010年畢業于寧波大學，碩士，工程師，現從事制導與控制研究工作。

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）