通用垂直起降飞行器控制系统

✍ dations ◷ 2025-06-08 11:00:52 #

通用垂直起降飞行器控制系统(英语:Universal VTOL Control System,缩写UVCS)是一种先进的垂直起降飞行器(VTOL)用自动驾驶系统,可完成飞行器的自主起飞/着陆、悬停、盘旋、航线飞行及机动飞行等功能 。 UVCS设计用于中等及以上级别的无人驾驶飞行器。该系统由INS/GNSS组合导航系统、飞行控制系统、任务管理系统、指令通讯系统与地面站系统(视配置而定)等组成。系统符合工业标准,有极高的稳定性与可靠性(软件与硬件),能够在恶劣环境中使用,如山区、海上、城市环境等。可用于常规布局直升机、非常规布局垂直起降飞行器、变载荷任务(如投放任务、牵引任务)等。

使用先进的非线性系统辨识技术,依据飞行器的非线性数学模型,与实际飞行数据,通过遗传算法(GA),辨识模型中的未知参数,获得飞行器更精确的数学模型,并作为控制系统的设计依据。由于使用飞行器的非线性模型作为参考模型,模型可更为精确地反应飞行的动力学特性,模型参数更具有实际物理意义,方便进行理论校验以确定模型参数的真实性。与传统的理论建模和基于线性系统辨识的方法相比,非线性模型结构与参数均具有更高的精度,模型匹配度较线性模型与线性系统辨识方法相比,可提高10%以上。并能更精确地反映在辨识工作点外的气动特性,使得可以通过常规飞行采集的数据,辨识出接近全飞行包线的数学模型,避免在多个工作点的重复辨识与控制器设计,如在悬停状态和高速巡航状态等。

使用先进的INS/GNSS组合导航技术,导航模块由惯性测量单元(IMU)、高精度GPS/差分GPS、磁罗盘、气压高度计等组成,数据通过一个全阶(>16阶)扩展卡尔曼滤波器,计算导航信息并对传感器误差进行补偿。该系统具有二阶的解析精度,支持GPS/GLONASS/北斗等多种全球定位系统,可根据需要使用单一系统,或多种系统并行工作,以提高定位精度与可靠性。与简易的层阶式滤波器相比,采用全阶卡尔曼滤波器可以获得更好鲁棒性,可抑制由单个传感器产生的不可预知的错误数据或噪声,如多路径效应产生的GPS数据的瞬时震动、机体受气流所产生的强扰动等。经过卡尔曼滤波器补偿的传感器数据可以提供更准确的惯导信息,在GPS信号失锁时可以使系统继续稳定工作更长时间。

UVCS使用先进的非线性控制技术,使用基于随机鲁棒的控制律设计,在控制律设计阶段针对飞行器的“超包线”(在全飞行包线的基础上加入最坏的环境与结构不确定性),进行控制律的设计与优化,使飞行器满足在“实用包线”内的飞行品质(稳定性与灵活性)。

先进的内部任务管理系统,使飞行器具有更高的智能,可完成更复杂的任务,以及具有更高的安全性。系统会根据所接收到的指令、自身的健康(通讯、能源、动力等)状况等决定当前所要执行的任务。任务管理系统会根据控制指令切换与组合飞行器的工作模态,通过对飞行模态的切换与组合,可实现更为复杂的飞行动作,如机动飞行等,为以后任务扩展提供了良好的基础。

标准数据链系统包含两套独立的通讯链路,其中900MHz双工扩频通信作为主通讯链路,该链路通讯距离可达64km,完成地面站对飞行器的实时控制指令与任务指令的传递,并接收来自飞行器的实时状态数据。另一路2.4GHz单工跳频通信链路作为飞行器的底层备份链路,作用距离小于2km(视距),主要负责飞行器在近场阶段的目视引导控制,或全手动飞行控制链路。链路之间通过任务管理系统实现基于控制优先级的无缝连接,实现任务控制人员与飞行器操作员之间的协调控制,并支持多控制站的协同控制。 与传统通讯系统相比,与任务管理系统整合之后能有效避免在飞行器控制权的“竞争”问题,确保飞行执行“正确的人”发出的“正确的指令”,大大简化了飞行器的操作,提高了使用效率。

地面站系统包括任务控制站与载荷控制站。任务控制站完成对飞行器状态的监控,如姿态、速度、位置、健康状况等。载荷控制完成对任务载荷的控制,如云台、吊舱等。结合900MHz多点对多点通讯链路与地面站软件,系统可实现一站对单飞行载体、一对多、多对多或多对一的控制



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