一種基于多傳感器信息的無人直升機空地狀態判定方法

汪真才，嚴峰，張思

中國直升機設計研究所

針對無人直升機自主起降過程的特點和需求，本文分析傳統空地狀態判定方法的缺點，結合無人直升機對空地狀態準確性要求高的特點，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判定，提升無人直升機的飛行安全性。

隨著電傳飛控系統的發展及其在無人直升機中的廣泛應用，飛行過程對檢測系統的性能與可靠性的要求越來越高，而檢測系統的性能會直接影響電傳飛控系統的功能和性能，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須采集空地狀態信息，以實現對應機載系統的控制。例如，剎車控制系統采集輪載信號來判斷空地狀態，實現地面剎車控制；近地預警設備利用空地信號觸發告警等信息。另外，飛行控制系統的一些重要控制邏輯判斷也須要空地狀態信息，因此空地狀態信息已成為越來越重要的機載公共信息源，空地狀態的檢測及判定結果將直接關聯地面和空中系統的工作狀態。

基于單傳感器信息的空地狀態判定方法的缺點

目前，無人直升機基本上僅根據輪載信號來判定空地狀態，而空地狀態判定結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可提供關/開形式的輪載信號，用于表征起落架的接地與空中狀態。然而，基于輪載信號的空地狀態判定結果的可靠性不高，以及輪載傳感器一旦發生故障，無人直升機的空地狀態得不到正確的判斷。無人直升機具有飛行速度快、機動性高等特點，在進行自主飛行時，尤其是自主起飛與降落過程對空地狀態判定結果的準確性與可靠性要求極高。然而，在不同環境下，基于單傳感器信息的空地狀態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險，因此基于單傳感器信息的空地狀態判定方法具有一定的改進空間。

飛行器空地狀態判定方法有待改進

目前，有關飛行器空地狀態檢測及判定方法研究的文獻較少。大部分飛行器空地狀態判定均采用基于輪載信號的方法，目前許多學者及技術人員提出了相關優化方案。

為提升輪載信號故障定位方法的便捷性，有學者提出了一種輪載信號地面檢測設備。在飛行器機載設備不替換的情況下，這種地面檢測設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判定結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空地狀態檢測及判斷，并輸出對應的狀態信號，飛行控制系統收到狀態信號后，實現與空地狀態相對應的控制邏輯。在飛行器起降過程中，緩沖支柱伸縮具有變化的特征。設計人員將接近傳感器和靶標設計在適當的安裝位置，使接近傳感器和靶標的感應距離能靈敏地隨緩沖支柱的伸縮而變化，再判斷兩者感應距離是否在預設距離內，來實現空地狀態判斷。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、安裝設計等都不相同。因此，這種起落架空地狀態檢測裝置的通用性有待優化。

為改善起落架輪載信號檢測裝置的通用性，其他學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，并通過信號盤的展開狀態及轉速來判斷飛行器的空地狀態，具有較高靈敏度。由于該裝置安裝在現有飛行器的機輪上，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，在判定空地狀態時，該裝置要求機輪著地和離地時產生轉動，才能保證信號的準確性。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判定裝置及方法擁有一個共同特點，即空地狀態判定基于單傳感器信息，用于復雜環境下起降的有人直升機尤其是無人直升機的空地狀態判定，存在較高風險。

為完善基于單傳感器信息的空地狀態判定方法，一些學者提出了一種基于速度保護的輪載信號使用方法，基于飛行器離地速度和預定值的滯環環節構成了輪載信號的速度保護范圍。該方法將速度保護范圍轉換成標準動壓范圍，將標準動壓范圍與輪載信號相結合，對飛行器空地狀態進行判定。相比基于單一輪載信號的方法，基于速度保護的輪載信號使用方法增加了一種傳感器信息，狀態判定結果的可靠性有所提升。但是，該方法須要根據飛行器的不同起飛重量，計算不同外掛構型的飛行器離地速度，將校正空速轉換成標準動壓，以進行空地狀態判定，且校正空速轉換成標準動壓的計算過程會影響判定結果的實時性。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判定方法。本文實施例采用的無人直升機空地狀態判定方法，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、可靠的空地狀態標志，適用于各類無人直升機和有人直升機空地狀態判定，目前已應用于無人直升機的空地狀態判定，提升了空地狀態信號的可靠性。基于多傳感器信息的無人直升機空地狀態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判斷。

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

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、左右后輪輪載開關傳感器分別提供三路輪載信號。

空地狀態判定系統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傳感器等機載設備組成，系統模塊組成如圖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，實現空地狀態判定邏輯程序運行。其他傳感器裝置作為信息采集設備，向飛行控制與管理計算機輸入無人直升機三路開關量輪載信號、數字量無線電高度信號以及模擬量超聲波高度信號。

圖1 空地狀態判定系統模塊組成框架圖。

傳感器數據信息處理

飛行控制與管理計算機收到數據信息后，結合歷史數據，對三種傳感器信息進行跳點剔除、均值濾波等數據處理，增加數據穩定性。飛行控制與管理計算機實現傳感器數據信息的有效性判斷及預處理。本文實施例采用如下數據處理方法。

（1）空缺數據處理

實測數據補充方法為：

其中n為取樣點數。

（2）異點剔除處理

采用移動平均方法進行異常數據處理。設yt表示實測數據值，Yt+1表示預測值，N為經過移動平均計算的歷史數據數目，j=1,2,3,……,N。預測值表示為

傳感器信息融合后空地狀態判斷

本實施例在飛行控制與管理計算機進行數據分析、判定算法計算，得出空地狀態判定結果。空地狀態判定方法工作流程詳見圖2。

圖2 空地狀態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，綜合信息判斷機構再將無線電高度信號、超聲波高度信號進行空地狀態閾值條件判斷，隨后對輪載綜合信號進行綜合判斷，得到最終空地狀態標志。

（1）傳感器信息有效性分析及處理流程

在對空地狀態進行判斷前，飛控計算機先判斷各傳感器信息數據的有效性，若數據有效則進入空地狀態綜合判斷，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信號進行三判二冗余表決，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信號進行二判二冗余表決，流程圖詳見圖4。

圖3 三種傳感器空地狀態信號綜合判斷邏輯圖。

圖4 兩種傳感器空地狀態信號判定邏輯圖。

③僅一種傳感器信息有效時，綜合信息判斷機構直接輸出該傳感信號的空地狀態。

④三種傳感器信息都無效時，綜合信息判斷機構直接置空地狀態為空中，實現安全保護。

另外，當無人直升機飛行高度到達一定高度H時，該高度為無人直升機在空中的安全飛行高度，則空地狀態信號判定邏輯取消執行，以進一步提升飛行安全性。

（2）各傳感器信號的空地狀態判定方法

無線電高度信號與超聲波高度信號的空地狀態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，各傳感器信號對應的空地狀態保持上拍結果。

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。

結論

本文提出的方法增加了空地狀態判定的標志依據，能夠結合無人直升機多種狀態特征來綜合判定空地狀態，可有效防止因單一狀態信息無效導致的空地狀態無法判定或誤判，狀態檢測準確率有所提高，同時提高了飛行控制與管理系統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據處理方法不固定，可根據不同機型的特點靈活調整。該方法已應用于無人直升機的空地狀態判斷，具有一定應用前景。