一种飞行调参的工程方法
技术领域
本发明属于飞行调参技术领域，具体涉及一种飞行调参的工程方法。
背景技术
无人机飞控系统控制律调参的通常做法是：飞手通过遥控器实现飞手遥控模式与飞控自驾模式之间的切换，切换为遥控模式时，无人机控制权限全部在于飞手，由飞手直接给出无人机的控制信号，一般包括：副翼、升降及油门，飞控不参与任何控制；切换为自驾模式时，无人机控制权限全部在于飞控，由飞控根据当前无人机状态自动进行控制指令解算，并输出到舵面，飞手不参与任何控制。通过多次的遥控/自驾切换以及多架次的飞行，实现无人机飞控系统所有控制回路的参数调试，一般包括：俯仰、高度、滚转、航向以及速度等回路(不同的控制律所采取的控制回路多有不同，但均是由纵向和横侧向的多个控制回路构成)。
这种方法会带来以下方面的问题：
1、处于自驾模式时，全部控制权限均为飞控所有，它的控制输出是多个控制回路集成运算的结果，当需要根据飞行情况调整控制律参数时，很难仅通过现象来完全明确是何条控制回路的参数需要调整，错误控制回路的参数调整可能导致严重的姿态发散，甚至摔机，导致安全事故发生。
2、处于自驾模式时，由于不明确何条控制回路的参数需要调整，调参过程带有尝试性，需要通过多次手控/自驾切换，甚至多个架次来确保调整的正确性，这样极易造成飞行调参时，时间成本和人力成本大大增加，也会进一步增加飞行安全风险。
3、处于自驾模式时，由于无法改变各控制回路的指令参数，导致无法测试控制律参数的动态响应性能。
4、处于自驾模式时，由于没有飞手的控制保障，若控制律参数不合适，短时间内可能导致姿态出现严重振荡乃至发散，一旦飞手遥控切换不及时，极易造成摔机，导致安全事故发生。
为了解决以上问题我方研发出了一种飞行调参的工程方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种飞行调参的工程方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种飞行调参的工程方法，方法包括：
根据无人机控制律获得内环控制律、外环控制律、速度回路；速度回路用于控制无人机的油门；
根据内环控制律获得俯仰回路和滚转回路，其中俯仰回路和滚转回路用于控制无人机的飞行姿态；
根据外环控制律获得高度回路和航向回路，其中高度回路用于控制无人机的高度，航向回路用于控制无人机的航向；
在自驾模式且进行控制回路参数调试时，若当前处于俯仰回路调试，飞控进行俯仰控制回路解算，输出俯仰控制指令，而滚转控制及速度控制交由飞手直接控制；
若当前处于滚转回路调试，飞控进行滚转控制回路解算，输出滚转控制指令，而俯仰控制及速度控制交由飞手直接控制；
若当前处于速度回路、高度回路或航向回路调试，则全部控制权限在飞控，飞手不参与控制。
具体地，高度回路嵌套俯仰回路，航向回路嵌套滚转回路，高度回路或航向回路的参数调试在俯仰回路或滚转回路的参数调试完成后进行；速度回路的调试在俯仰回路或滚转回路的参数调试完成后进行。
进一步地，当高度回路或航向回路使能时，不再判别俯仰回路或滚转回路是否使能，而由该外环直接计算出相应指令。
具体地，在进行控制回路参数调试时，飞控系统接收第一指令参数，并判断第一指令参数是否在对应的控制回路的有效范围内，当第一指令参数不在对应的控制回路的有效范围或为空，飞控不使能该控制回路，反之使能该回路；当地面填入多个控制回路的指令参数时，飞控使能相应控制回路，完成多个控制回路的飞行控制。
具体地，在俯仰回路或滚转回路单独执行时，飞手要参与控制；无人机执行机构的动作是由飞控系统与飞手共同控制，飞控系统完成飞手控制指令与飞控控制指令的同时输出。
具体地，在进行控制回路参数调试时，可在某一回路执行过程中，改变指令参数值，用于观察无人机动态响应过程。
本发明的有益效果在于：
1、单次仅调试一条控制回路的控制参数，调参对象明确，能够直接根据飞行现象及时调整控制参数，不存在盲目性、尝试性，时间成本和人力成本显著降低，同时也不会出现误调参的可能，一定程度上避免了飞行安全事故的发生。
2、地面人员任意时刻调整指令参数，飞控均可实时响应，能够及时获取到控制律参数的动态响应性能。
3、在关键的姿态回路参数调试时，飞手参与控制，可有效提升无人机的飞行安全性与可靠性，避免事故的发生，保障地面人身安全和财产安全。
附图说明
图1是本发明的控制回路划分示意图；
图2是本发明的控制回路判别过程示视图；
图3是本发明的飞控执行输出过程示意图；
图4是本发明俯仰回路控制过程中俯仰角变化情况的示意图；
图5是本发明俯仰回路控制过程中油门/速度变化情况示意图；
图6是本发明俯仰回路控制过程中滚转角变化情况示意图；
图7是本发明滚转回路控制过程中俯仰角变化情况示意图；
图8是本发明滚转回路控制过程中油门/速度变化情况示意图；
图9是本发明滚转回路控制过程中滚转角变化情况示意图；
图10是本发明速度回路控制过程中俯仰角变化情况示意图；
图11是本发明速度回路控制过程中油门/速度变化情况示意图；
图12是本发明速度回路控制过程中滚转角变化情况示意图；
图13是本发明高度回路控制过程中俯仰角变化情况示意图；
图14是本发明高度回路控制过程中高度变化情况示意图；
图15是本发明高度回路控制过程中油门/速度变化情况示意图；
图16是本发明高度回路控制过程中滚转角变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
1、单回路控制参数调试
将飞控系统控制律划分为多个控制回路，每个控制回路有一套参数，在一个遥控/自驾切换过程中，只对其中一个控制回路参数进行调试，明确调参对象，便于参数调整。
2、飞手参与姿态回路参数调试
为了保证飞行安全，在对无人机飞行姿态(内环)回路(主要指俯仰回路及滚转回路)进行参数调试时，飞控将控制权限进行分割，飞控仅对当前调试的控制回路进行控制，而其它控制权限则交由飞手操控。在对无人机其它控制(外环)回路(主要指高度、航向及速度回路)进行参数调试时，飞控仍获取全部控制权限。
3、动态响应实现
在对单个控制回路进行参数调试过程中，通过地面站在线修改指令参数，观察无人机动态响应情况，进行参数调整。
飞行调参的工程方法包括：
1、控制回路划分
如图1所示，根据所用控制律，将控制律分为内环和外环，内环控制无人机飞行姿态，确保飞行安全，外环控制无人机高度、航向等，其中高度回路嵌套俯仰回路，航向回路嵌套滚转回路，必须在俯仰回路或滚转回路参数调试完成后，方可进行高度回路或航向回路的参数调试。速度回路无其它回路嵌套，可在内环参数调试完成后进行。
2、控制权限分割
在自驾模式且进行控制回路参数调试时，若当前处于俯仰回路调试，飞控进行俯仰控制回路解算，输出俯仰控制指令，而滚转控制及油门控制交由飞手直接控制；若当前处于滚转回路调试，飞控进行滚转控制回路解算，输出滚转控制指令，而俯仰控制及油门控制交由飞手直接控制；若当前处于速度回路、高度回路或航向回路调试，则全部控制权限在飞控，飞手不参与控制。
如下表所示：
3、控制回路选取与判别
控制回路的选取是由地面人工选择与确认，地面人员通过在地面站软件录入相关控制回路指令参数实现当前控制回路的选取，而不再通过其它冗余的方法实现，减轻地面人员操作量。即：俯仰回路的选取通过填入俯仰角指令即可，速度回路的选取通过填入速度指令即可，其它回路同此类似，地面人员一次可填入单个控制回路的指令参数，也可填入多个控制回路的指令参数。各控制回路调试时，需要填入的指令见下表：
注：上表中，在俯仰回路、滚转回路及速度回路调试时地面人员有明确的指令参数录入，在高度回路调试时，滚转指令与航向指令二填一即可；同理在航线回路调试时，俯仰指令与高度指令二填一即可。
飞控系统通过判别相应控制回路的指令参数是否在有效范围内使能该控制回路，当地面填入的值不在有效范围或为空，飞控不使能该控制回路，反之使能该回路；当地面填入多个控制回路的指令参数时，飞控使能相应控制回路，完成多个控制回路的飞行控制。值得一提的是：由于高度回路是俯仰回路的外环，航向回路是滚转回路的外环，当高度回路或航向回路使能时，不再判别俯仰回路或滚转回路是否使能，而由该外环直接计算出相应指令。这样即可通过不同的指令参数的组合，可使无人机响应不同的控制回路，达到参数调整的目的。
如图2所示，示出了控制回路判别过程示视图；
具体包括以下步骤：
步骤1：飞控系统对当前模式进行判别，若处于遥控模式，则从接收机直接获取控制量，若处于自驾模式，则执行下一步骤；
步骤2：飞控系统对当前阶段进行判别，若处于其它阶段，则执行相应程序，若处于调参阶段，则执行下一步骤；
步骤3：飞控系统获取地面指令参数，并对标志字节清0；
步骤4：飞控系统对高度指令有效性进行判别，若有效，对标志字节bit0置1，并执行高度控制回路；若无效，则对俯仰指令有效性进行判别；
步骤5：若俯仰指令有效，对标志字节bit3置1，并执行俯仰控制回路；若无效，则不对标志字节进行操作；
步骤6：飞控系统对航向指令有效性进行判别，若有效，对标志字节bit1置1，并执行航向控制回路；若无效，则对滚转指令有效性进行判别；
步骤7：若滚转指令有效，对标志字节bit4置1，并执行滚转控制回路；若无效，则不对标志字节进行操作；
步骤8：飞控系统对速度指令有效性进行判别，若有效，对标志字节bit2置1，并执行速度控制回路；若无效，则不对标志字节进行操作；
步骤9：飞控系统对全部指令是否判断完进行判别，若是，则获取到自驾的升降/副翼/油门指令，若否，则从步骤5重新执行。
4、飞手介入、控制输出
在俯仰回路或滚转回路单独执行时，飞手要参与控制，无人机执行机构的动作是由飞控系统与飞手共同控制的，飞控系统则要完成飞手控制指令与飞控控制指令的同时输出，具体实现方式则是：在执行输出环节，采集遥控器摇杆控制量，与飞控自动生成的指令一并经过相应运算，转化为执行机构输出量并分配到各个执行机构。若无人机属于混控类型，飞控系统还需完成飞手遥控量与飞控指令的耦合，然后再输出到执行机构。
如图3所述，示出了飞控执行输出过程示意图；
具体示出了以下步骤；
步骤1：飞控系统对当前模式进行判别，若处于遥控模式，则直接将控制量进行输出，若处于自驾模式，则执行下一步骤；
步骤2：飞控系统对当前阶段进行判别，若处于其它阶段，则获取控制指令转化为执行机构输出量，若处于调参阶段，则执行下一步骤；
步骤3：飞控系统对标志字节进行判别；
步骤4：若仅bit3为1，则获取自驾计算的飞控俯仰指令，并采集遥控器的滚转及油门量；若仅bit4为1，则获取自驾计算的飞控滚转指令，并采集遥控器的俯仰及油门量；若是其它bit有效，则获取自驾计算的飞控俯仰、滚转及油门指令；
步骤5：将步骤4的各项指令转化为执行机构的输出量。
5、指令参数调整
在进行控制回路参数调试时，可在某一回路执行过程中，地面人工改变指令参数值，便于观察无人机动态响应过程。如：将俯仰角指令由3°调整为10°，即可观察该俯仰回路参数下，无人机的动态响应，根据响应情况实时调整控制律参数。
以下为本申请中，各回路调试的具体实施例：
1、俯仰回路调试
如图4-图6中，在154s-167.4s处于俯仰回路调试过程，黑色点化线为模式切换，当大于0时，处于自驾模式，飞控具有俯仰回路控制权限；当等于0时，处于遥控模式，飞手具有全部控制权限。在约159.6s处俯仰回路指令参数由3°改变为10°。
切入自驾(俯仰回路)时，俯仰角与设定值相差不大，舵面处于中位附近(0°，0°不足以使无人机保持平飞)，故无人机低头，随着俯仰角持续减小，飞控逐渐拉起升降舵，俯仰角逐渐开始增大，并逐渐收敛；指令参数调整为10°后，俯仰角在7.3°～11.6°范围内收敛，并逐渐收敛为10.2°，动态响应迅速且稳定，故俯仰回路参数适合。
2、滚转回路调试
如图7-图9所示，在210s-222.3s处于滚转回路调试过程，飞控具有滚转回路控制权限，在约217.8s处滚转角指令参数由0°调整为-30°。
切入自驾时，滚转角与设定值相差23°(图9，右滚)，故飞控控制无人机左滚，随着滚转角持续减小，滚转角度下降稍平滑，在211.3s处(约切入自驾1.3s后)滚转角约为0°，但由于积分的存在，此时副翼仍有指令，故继续控制无人机左滚，在215.8s后又逐渐开始收敛；当指令调整为-30°后，滚转角在-34°～28.6°范围内振荡，滚转回路测试尚可。
3、速度回路调试
如图10～12所示，在254.1s-264.3s处于速度回路调试过程，飞控具有全部控制权限，速度回路调试全过程中速度指令为38m/s。
切入自驾时，速度45m/s，与设定值相差7m/s，油门将从配平值60％收油，故无人机减速，随着速度持续减小，油门减小幅值逐渐保持，并开始增加，油门变化范围为25％～52％，速度后收敛至36.5m/s，速度回路尚可。
4、高度回路调试
如图13～16所示，在296.3s-308.6s处于高度回路调试过程，飞控具有全部控制权限，在约299.7s处高度角指令参数由100m调整为120m。
切入自驾时，高度与设定值相差10m，故飞控自动生成内环俯仰角指令-30°(限幅-30°)，由于此时俯仰角约-8°，故无人机低头，由于切自驾时滚转角约20°，故高度也受滚转的影响下降，二者综合之下，高度迅速下降，下降至100m之下后，飞控生成的俯仰角指令达到30°，故无人机见抬头，由于抬头会带来速度损失，故油门逐渐增加，且最大至92％(图15)，高度在切出自驾时，约116m。高度回路尚可。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
