控制飞行器自动起飞的方法.pdf

本发明提供了一种控制飞行器自动起飞的方法，该方法包括获取上述飞行器的起飞目标俯仰角和目标速度；根据上述起飞目标俯仰角和上述目标速度控制上述飞行器自动起飞。通过本发明，解决了无法精确控制飞行器自动起飞的问题，进而达到了精确控制飞行器自动起飞的效果。

权利要求书
1.  一种控制飞行器自动起飞的方法，其特征在于，包括：
获取所述飞行器的起飞目标俯仰角和目标速度；
根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：
在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率,自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；
检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；
在所述当前垂直速度Vz小于预设的第一垂直速度阈值Vz1的情况下，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞；
在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第一垂直速度阈值Vz1且小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；
在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；和/或
根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。

4.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：
根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；
根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；
比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述飞行器的所述起飞目标俯仰角和所述目标速度包括：
根据所述飞行器的自身参数确定所述起飞目标俯仰角、起飞安全速度和离地速度；
根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度包括：
所述目标速度为所述起飞安全速度和所述离地速度二者之间值较大的一个与第一速度阈值的和；
在所述飞行器的当前速度大于所述目标速度、且持续时间超过第一时间阈值的情况下，所述目标速度取所述安全速度与第二速度阈值的和值与所述当前速度二者之间较小者。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一速度阈值为28km/h,所述第二速度阈值为46km/h，所述第一时间阈值为5s。

8.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述飞行器的一台发动机失效的情况下，所述方法包括：
在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率,自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；
检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；
在所述当前垂直速度Vz小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；
在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；和/或
根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。

10.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：
根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；
根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；
比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。

说明书控制飞行器自动起飞的方法
技术领域
本发明涉及自动飞行控制系统技术领域，具体而言，涉及一种控制飞行器自动起飞的方法。
背景技术
自动起飞是控制飞机自动在跑道滑跑、抬前轮、离地、爬升至起飞段结束的过程。整个飞行过程中，最重要也是最危险的飞行阶段是起飞和着陆，在设计自动驾驶仪时最难、最复杂和最后涉及的也是着陆段和起飞段。现役的先进运输机，军用或民用，自动驾驶仪基本都具备自动着陆功能，区别只在于自动着陆级别，最高可达到Ⅲa级，可至今还没有一架运输机具备自动起飞功能。无人机自动起飞控制方法的区别在于对纵向的控制，分为定俯仰角控制和定航迹倾角/垂直速度控制，用上述控制方法控制飞机到安全高度(几米到几十米的高度)转为导航控制。而运输机的起飞则比较复杂，离地时要考虑防擦机尾角，拉起时要考虑抬头率，空中增加爬升率的同时要增加空速，控制律的设计还要考虑一定的抗干扰能力和抗紊流能力。这些都是目前已有的自动起飞控制方式所不能解决的。
发明内容
本发明提供了一种控制飞行器自动起飞的方法，以至少解决无法精确控制飞行器自动起飞的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种控制飞行器自动起飞的方法，该方法包括：获取所述飞行器的起飞目标俯仰角和目标速度；根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
优选地，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率,自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；在所述当前垂直速度Vz小于预设的第一垂直速度阈值Vz1的情况下，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第一垂直速度阈值Vz1且小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
优选地，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；和/或根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。
优选地，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。
优选地，获取所述飞行器的所述起飞目标俯仰角和所述目标速度包括：根据所述飞行器的自身参数确定所述起飞目标俯仰角、起飞安全速度和离地速度；根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度。
优选地，根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度包括：所述目标速度为所述起飞安全速度和所述离地速度二者之间值较大的一个与第一速度阈值的和；在所述飞行器的当前速度大于所述目标速度、且持续时间超过第一时间阈值的情况下，所述目标速度取所述安全速度与第二速度阈值的和值与所述当前速度二者之间较小者。
优选地，所述第一速度阈值为28km/h,所述第二速度阈值为46km/h，所述第一时间阈值为5s。
优选地，在所述飞行器的一台发动机失效的情况下，所述方法包括：在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率,自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；在所述当前垂直速度Vz小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
优选地，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；和/或根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。
优选地，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。
通过本发明，采用获取所述飞行器的起飞目标俯仰角和目标速度；根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞，解决了无法精确控制飞行器自动起飞的问题，进而达到了精确控制飞行器自动起飞的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的控制飞行器自动起飞的方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的自动起飞过程示意图；
图3是根据本发明实施例自动起飞俯仰角保持控制框图；
图4是根据本发明实施例的自动起飞速度保持控制框图；
图5是根据本发明实施例的自动起飞混合指令控制框图；
图6是根据本发明实施例的另一种自动起飞混合指令控制框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种新的自动起飞控制方法，不仅适用于无人机，还可用于有人驾驶固定翼飞机的自动起飞，填补有人驾驶固定翼飞机自动起飞控制方法的空白，使得有人驾驶固定翼飞机也可以自动起飞，为有人驾驶固定翼飞机全飞行阶段的自动控制奠定基础，同时也是对无人机现有的自动起飞的一种改进。
本发明实施例提供了一种飞机自动起飞的控制方法。这种新的控制方法用到了两种控制指令，一种是俯仰角控制，一种是速度控制，飞机离地时，使用俯仰角指令控制起飞控制抬头率的同时保持定俯仰角爬升，当爬升率到达一定值时用俯仰角和速度的混合指令控制飞机爬升，爬升率继续增大，到达一定值，完全用速度作为控制目标，定速爬升，直至起飞段结束。目标俯仰角和目标速度与飞机的重量、重心、性能等有关。这种与飞机状态和性能结合起来的自动起飞控制方法可以在保证安全起飞的同时兼顾经济性，两种控制指令结合的控制方式可最大限度地增大起飞时飞机的抗干扰能力。这样的起飞方式既适用于无人机的滑跑起飞，也适用于有人驾驶固定翼飞机的自动起飞。填补了有人驾驶固定翼飞机自动起飞控制方法的空白，也改进了无人机传统自动起飞控制方式的不稳定性和抗干扰性。
在本实施例中，根据俯仰角和速度两种控制指令控制飞机的自动起飞，离地时，保持俯仰角建立正上升率，这样有利于对抗起飞后的风干扰等突发扰动，飞机建立正上升率后，保持上升率的同时增速，从俯仰角保持向速度保持过渡，在过渡段用俯仰角和速度的混合指令，可以在满足起飞要求的同时，最大限度地保证飞机稳定和安全，最大程度地抗干扰；之后用速度保持控制飞机保持空速爬升。这种控制方式抓住了起飞每个阶段的关键点和控制侧重，与人工操纵的起飞程序相似,与飞行指引控制方式一致，而起飞指引已在很多有人驾驶固定翼飞机上应用，完全可证明这样的控制方式对有人驾驶固定翼飞机时有用的，适合有人驾驶固定翼飞机，也可应用于无人机。
在本实施例中提供了一种控制飞行器自动起飞的方法，图1是根据本发明实施例的控制飞行器自动起飞的方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S102，获取所述飞行器的起飞目标俯仰角和目标速度；
步骤S104，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
在飞行器的发动机都正常的情况下：
在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率，自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；在所述当前垂直速度Vz小于预设的第一垂直速度阈值Vz1的情况下，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第一垂直速度阈值Vz1且小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
其中，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。
在一个实施例中，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。
在另外一个实施例中，获取所述飞行器的所述起飞目标俯仰角和所述目标速度包括：根据所述飞行器的自身参数确定所述起飞目标俯仰角、起飞安全速度和离地速度；根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度。
在又一个实施例中，根据所述起飞安全速度和所述离地速度确定所述目标速度包括：所述目标速度为所述起飞安全速度和所述离地速度二者之间值较大的一个与第一速度阈值的和；在所述飞行器的当前速度大于所述目标速度、且持续时间超过第一时间阈值的情况下，所述目标速度取所述安全速度与第二速度阈值的和值与所述当前速度二者之间较小者。其中，所述第一速度阈值为28km/h,所述第二速度阈值为46km/h，所述第一时间阈值为5s。
在所述飞行器的一台发动机失效的情况下：
在所述飞行器加速至抬前轮速度VR的情况下，控制所述飞行器的抬头率,自动拉起所述飞行器至所述起飞目标俯仰角；检测并获取所述飞行器的当前垂直速度Vz；在所述当前垂直速度Vz小于预设的第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞；在所述当前垂直速度Vz大于等于所述第二垂直速度阈值Vz2的情况下，根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞。
其中，根据所述起飞目标俯仰角控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述起飞俯仰角；根据所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括控制所述飞行器保持所述目标速度。
在一个实施例中，根据所述起飞目标俯仰角和所述目标速度控制所述飞行器自动起飞包括：根据所述起飞目标俯仰角生成第一自动起飞控制指令；根据所述目标速度生成第二自动起飞控制指令；比较所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令，取所述第一自动起飞控制指令和所述第二自动起飞控制指令二者之间的值较大的一个为当前自动起飞控制指令；或者，线性淡出所述第一自动起飞控制指令，并线性淡入所述第二自动起飞控制指令。
本发明实施例还提供了一种飞机自动起飞的控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据飞机的重量、重心、飞机性能、当前环境温度等确定出飞机离地时的俯仰角Theta、起飞推力、抬前轮速度VR、离地速度VLOF、起飞安全速度V2等；
(2)起飞开始时，推油门杆至起飞推力，横航向保持航向与跑道航向一致，机翼水平，加速至VR；
(3)到达VR后，俯仰指令控制飞机以适当的抬头率自动拉起保持目标俯仰角，飞机建立正上升率离地，垂直速度Vz增加，速度增加；
(4)当Vz在预设的第一垂直速度阈值Vz1以下时，俯仰指令保持目标俯仰角；
(5)Vz大于等于Vz1且小于第二垂直速度阈值Vz2时，俯仰指令是目标俯仰角和目标速度的混合指令；
(6)Vz大于等于Vz2后，俯仰指令保持目标空速；
(7)如果起飞时一台发动机失效，Vz小于Vz2，俯仰指令是目标俯仰角和目标速度的混合指令，Vz大于等于Vz2后，俯仰指令保持目标空速；
其中，目标空速V2+28km/h和VLOF+28km/h的大者；如果当前空速比目标空速大超过5s，目标空速变为当前空速和V2+46km/h的小者，其中，28km/h是第一速度阈值，46km/h是第二速度阈值，5s是第一时间阈值。
(8)当飞机离地后距地面一定高度时，横航向指令变为航迹保持；
(9)过程中，油门始终在起飞推力。
本发明优选实施例还提供了一种飞机自动起飞的控制方法，该方法包括：
本实施例以有人驾驶固定翼飞机为例，起飞重量135t，正常重心，起飞机场高度500m，机场温度15°，正常起飞构型。
(1)根据飞机的重量、重心、当前环境温度确定出失速速度Vs、抬前轮速度VR、离地速度VLOF、起飞安全速度V2分别为209km/h、216km/h、235km/h、250km/h，飞机离地时的限制俯仰角为12.5°，建议离地俯仰角为9°，推力为起飞推力；
(2)起飞开始时，推油门杆至起飞推力，横航向保持航向与跑道航向一致，机翼水平，加速至抬前轮速度216km/h(图2中的a点)；其中，图2中，a是飞机抬前轮点、a1是指令交换点、b是指令交换点、c是爬升段。
(3)到达216km/h后，俯仰指令控制飞机以2.5°/s的抬头率自动拉起保持目标俯仰角9°，飞机建立正上升率离地，垂直速度Vz增加，速度增加(图2中a到a1的过程)；
(4)当Vz在3m/s以下时，俯仰指令保持目标俯仰角9°(图2中a1到b的过程，图3是俯仰角保持控制框图，在图3中，Pitch_c是目标俯仰角，Pitch是俯仰角，K_P是俯仰角增益，Lim_P1是目标俯仰角限制，Lim_P2是俯仰角控制指令限制，AP_PIT_P是俯仰角控制指令)。
(5)Vz大于等于3m/s且小于6m/s时，俯仰指令是目标俯仰角和目标速度的混合指令，是将俯仰指令(第一自动起飞控制指令)和速度指令(第二自动起飞控制指令)比较取大者(图2中b到c的过程)，混合指令的具体取法如图5所示，在图5中，Max是俯仰角控制指令和速度控制指令取大者。在另外一个实施例中，混合指令的具体取法也可以如图6所示，线性淡出俯仰指令，并线性淡入速度指令。
(6)Vz大于等于6m/s后，俯仰指令保持目标空速(图2中c以后的过程，图4是速度保持控制框图)；
飞机若在235km/h时离地，则目标空速为250km/h+27.78km/h和235km/h+28km/h的大者；
若飞机离地时速度大于目标空速超过5s，目标空速变为当前空速和250km/h+46km/h的小者。
其中，在图4中，V_c是目标表速，V是表速，K_V是速度增益，nx是轴向过载，K_nx是轴向过载增益，Lim_V是速度控制指令限制，AP_PIT_V是速度控制指令。
(7)如果起飞时一台发动机失效，Vz小于6m/s，俯仰指令是目标俯仰角和目标速度的混合指令，Vz大于等于6m/s后，俯仰指令保持目标空速；
(8)当飞机离地后距地面高度为5m时，横航向指令变为航迹保持(图2中的m点)；
(9)过程中，油门始终在起飞推力。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明不仅改进了无人机的自动起飞控制方法，使得无人机的自动起飞更稳定抗干扰性更强，也给有人驾驶固定翼飞机的自动起飞提供了一种控制方法，为有人驾驶固定翼飞机全飞行阶段的自动控制提供了可能。对无人机而言，只需要在原本算法的基础上加以改进即可，不需要进行任何硬件改造，节约改造成本，缩短研发周期。对有人驾驶固定翼飞机而言，也 只需要在自动飞控计算中增加自动起飞算法，不需要对硬件进行改动，只需要升级软件即可，可节约研发和改造成本，缩短研发和改造周期。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。