一種基于多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)空地狀態(tài)判定方法

汪真才，嚴(yán)峰，張思

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

針對(duì)無(wú)人直升機(jī)自主起降過(guò)程的特點(diǎn)和需求，本文分析傳統(tǒng)空地狀態(tài)判定方法的缺點(diǎn)，結(jié)合無(wú)人直升機(jī)對(duì)空地狀態(tài)準(zhǔn)確性要求高的特點(diǎn)，提出一種基于多傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法，適用于各種無(wú)人直升機(jī)和有人直升機(jī)的空地狀態(tài)判定，提升無(wú)人直升機(jī)的飛行安全性。

隨著電傳飛控系統(tǒng)的發(fā)展及其在無(wú)人直升機(jī)中的廣泛應(yīng)用，飛行過(guò)程對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的性能與可靠性的要求越來(lái)越高，而檢測(cè)系統(tǒng)的性能會(huì)直接影響電傳飛控系統(tǒng)的功能和性能，從而影響無(wú)人直升機(jī)的整體性能和飛行安全。

飛行器許多機(jī)載系統(tǒng)須采集空地狀態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)機(jī)載系統(tǒng)的控制。例如，剎車控制系統(tǒng)采集輪載信號(hào)來(lái)判斷空地狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)地面剎車控制；近地預(yù)警設(shè)備利用空地信號(hào)觸發(fā)告警等信息。另外，飛行控制系統(tǒng)的一些重要控制邏輯判斷也須要空地狀態(tài)信息，因此空地狀態(tài)信息已成為越來(lái)越重要的機(jī)載公共信息源，空地狀態(tài)的檢測(cè)及判定結(jié)果將直接關(guān)聯(lián)地面和空中系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法的缺點(diǎn)

目前，無(wú)人直升機(jī)基本上僅根據(jù)輪載信號(hào)來(lái)判定空地狀態(tài)，而空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性將直接影響無(wú)人直升機(jī)的飛行安全。軍民用無(wú)人直升機(jī)的起落架控制系統(tǒng)可提供關(guān)/開形式的輪載信號(hào)，用于表征起落架的接地與空中狀態(tài)。然而，基于輪載信號(hào)的空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性不高，以及輪載傳感器一旦發(fā)生故障，無(wú)人直升機(jī)的空地狀態(tài)得不到正確的判斷。無(wú)人直升機(jī)具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)性高等特點(diǎn)，在進(jìn)行自主飛行時(shí)，尤其是自主起飛與降落過(guò)程對(duì)空地狀態(tài)判定結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性要求極高。然而，在不同環(huán)境下，基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法存在可靠性低的問(wèn)題，無(wú)人直升機(jī)將面臨一定的飛行安全風(fēng)險(xiǎn)，因此基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法具有一定的改進(jìn)空間。

飛行器空地狀態(tài)判定方法有待改進(jìn)

目前，有關(guān)飛行器空地狀態(tài)檢測(cè)及判定方法研究的文獻(xiàn)較少。大部分飛行器空地狀態(tài)判定均采用基于輪載信號(hào)的方法，目前許多學(xué)者及技術(shù)人員提出了相關(guān)優(yōu)化方案。

為提升輪載信號(hào)故障定位方法的便捷性，有學(xué)者提出了一種輪載信號(hào)地面檢測(cè)設(shè)備。在飛行器機(jī)載設(shè)備不替換的情況下，這種地面檢測(cè)設(shè)備可快速定位輪載信號(hào)的故障通路。然而，該方案僅提高了輪載信號(hào)故障定位的速度，基于單傳感器信號(hào)的空地狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性并未得到提升。

針對(duì)帶有起落架緩沖支柱的有人機(jī)，另有學(xué)者提出了一種起落架輪載信號(hào)檢測(cè)裝置，該裝置適用于安裝有伸縮式緩沖支柱的飛行器。根據(jù)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(shí)現(xiàn)空地狀態(tài)檢測(cè)及判斷，并輸出對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)，飛行控制系統(tǒng)收到狀態(tài)信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)與空地狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的控制邏輯。在飛行器起降過(guò)程中，緩沖支柱伸縮具有變化的特征。設(shè)計(jì)人員將接近傳感器和靶標(biāo)設(shè)計(jì)在適當(dāng)?shù)陌惭b位置，使接近傳感器和靶標(biāo)的感應(yīng)距離能靈敏地隨緩沖支柱的伸縮而變化，再判斷兩者感應(yīng)距離是否在預(yù)設(shè)距離內(nèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)空地狀態(tài)判斷。為了減少誤判，緩沖支柱的伸縮須要一個(gè)合理的運(yùn)動(dòng)間距，而不同飛行器不一定都安裝緩沖支柱，特別是無(wú)人機(jī)，其起落架的大小、功能、安裝設(shè)計(jì)等都不相同。因此，這種起落架空地狀態(tài)檢測(cè)裝置的通用性有待優(yōu)化。

為改善起落架輪載信號(hào)檢測(cè)裝置的通用性，其他學(xué)者提出了一種起落架輪載信號(hào)裝置和判定方法。該裝置利用霍爾元件組獲得信號(hào)盤的狀態(tài)，并通過(guò)信號(hào)盤的展開狀態(tài)及轉(zhuǎn)速來(lái)判斷飛行器的空地狀態(tài)，具有較高靈敏度。由于該裝置安裝在現(xiàn)有飛行器的機(jī)輪上，而機(jī)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(tài)時(shí)，該裝置要求機(jī)輪著地和離地時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，才能保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)具有垂直起降功能的直升機(jī)而言，該起落架輪載信號(hào)檢測(cè)裝置及判斷方法的可靠性不高。

上述基于起落架輪載信號(hào)的空地狀態(tài)判定裝置及方法擁有一個(gè)共同特點(diǎn)，即空地狀態(tài)判定基于單傳感器信息，用于復(fù)雜環(huán)境下起降的有人直升機(jī)尤其是無(wú)人直升機(jī)的空地狀態(tài)判定，存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

為完善基于單傳感器信息的空地狀態(tài)判定方法，一些學(xué)者提出了一種基于速度保護(hù)的輪載信號(hào)使用方法，基于飛行器離地速度和預(yù)定值的滯環(huán)環(huán)節(jié)構(gòu)成了輪載信號(hào)的速度保護(hù)范圍。該方法將速度保護(hù)范圍轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)壓范圍，將標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)壓范圍與輪載信號(hào)相結(jié)合，對(duì)飛行器空地狀態(tài)進(jìn)行判定。相比基于單一輪載信號(hào)的方法，基于速度保護(hù)的輪載信號(hào)使用方法增加了一種傳感器信息，狀態(tài)判定結(jié)果的可靠性有所提升。但是，該方法須要根據(jù)飛行器的不同起飛重量，計(jì)算不同外掛構(gòu)型的飛行器離地速度，將校正空速轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)壓，以進(jìn)行空地狀態(tài)判定，且校正空速轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)壓的計(jì)算過(guò)程會(huì)影響判定結(jié)果的實(shí)時(shí)性。因此，對(duì)起飛速度不高的飛行器或者直升機(jī)來(lái)說(shuō)，該判定方法不適用。

基于多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)空地狀態(tài)判定方法

為避免單類傳感器故障影響無(wú)人直升機(jī)的飛行安全，本文提出一種基于多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)空地狀態(tài)判定方法。本文實(shí)施例采用的無(wú)人直升機(jī)空地狀態(tài)判定方法，融合了無(wú)線電高度信號(hào)和超聲波高度信號(hào)，可提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、可靠的空地狀態(tài)標(biāo)志，適用于各類無(wú)人直升機(jī)和有人直升機(jī)空地狀態(tài)判定，目前已應(yīng)用于無(wú)人直升機(jī)的空地狀態(tài)判定，提升了空地狀態(tài)信號(hào)的可靠性。基于多傳感器信息的無(wú)人直升機(jī)空地狀態(tài)判定方法涉及三個(gè)流程。

一是傳感器信息類型選取以及各類傳感器信息的測(cè)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(tài)判斷。

對(duì)有人直升機(jī)而言，飛行員判斷空地狀態(tài)的重要依據(jù)之一是高度信息。直升機(jī)高度值直接反映了直升機(jī)的空地狀態(tài)。因此，本文實(shí)施例對(duì)無(wú)人直升機(jī)加入多種高度狀態(tài)信號(hào)，并結(jié)合機(jī)載輪載信號(hào)，來(lái)準(zhǔn)確判定無(wú)人直升機(jī)的空地狀態(tài)。

傳感器信息類型選取及測(cè)量值采集

高度傳感器信息包括對(duì)地測(cè)量類、空間定位類、氣壓類。在無(wú)人直升機(jī)起降時(shí)，空間定位類和氣壓類高度信息的精準(zhǔn)性及實(shí)時(shí)性欠佳，因此本文實(shí)施例中的高度傳感器信息采用對(duì)地測(cè)量類信息，即無(wú)線電高度信號(hào)和超聲波高度信號(hào)。另外，前輪輪載開關(guān)、左右后輪輪載開關(guān)傳感器分別提供三路輪載信號(hào)。

空地狀態(tài)判定系統(tǒng)由飛行控制與管理計(jì)算機(jī)、超聲波高度表、無(wú)線電高度表和輪載開關(guān)傳感器等機(jī)載設(shè)備組成，系統(tǒng)模塊組成如圖1所示。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)作為多傳感器信息處理中心，實(shí)現(xiàn)空地狀態(tài)判定邏輯程序運(yùn)行。其他傳感器裝置作為信息采集設(shè)備，向飛行控制與管理計(jì)算機(jī)輸入無(wú)人直升機(jī)三路開關(guān)量輪載信號(hào)、數(shù)字量無(wú)線電高度信號(hào)以及模擬量超聲波高度信號(hào)。

圖1 空地狀態(tài)判定系統(tǒng)模塊組成框架圖。

傳感器數(shù)據(jù)信息處理

飛行控制與管理計(jì)算機(jī)收到數(shù)據(jù)信息后，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對(duì)三種傳感器信息進(jìn)行跳點(diǎn)剔除、均值濾波等數(shù)據(jù)處理，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。飛行控制與管理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)信息的有效性判斷及預(yù)處理。本文實(shí)施例采用如下數(shù)據(jù)處理方法。

（1）空缺數(shù)據(jù)處理

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)充方法為：

其中n為取樣點(diǎn)數(shù)。

（2）異點(diǎn)剔除處理

采用移動(dòng)平均方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理。設(shè)yt表示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值，Yt+1表示預(yù)測(cè)值，N為經(jīng)過(guò)移動(dòng)平均計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)數(shù)目，j=1,2,3,……,N。預(yù)測(cè)值表示為

傳感器信息融合后空地狀態(tài)判斷

本實(shí)施例在飛行控制與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判定算法計(jì)算，得出空地狀態(tài)判定結(jié)果。空地狀態(tài)判定方法工作流程詳見圖2。

圖2 空地狀態(tài)判定方法工作流程圖。

首先，飛行控制與管理計(jì)算機(jī)對(duì)無(wú)人直升機(jī)三路輪載信號(hào)進(jìn)行判斷（三判二冗余表決），得到輪載綜合信號(hào)，若有兩個(gè)及以上輪載信號(hào)為空中信號(hào)，則置輪載綜合信號(hào)為空中；若其中兩個(gè)及以上輪載信號(hào)為地面信號(hào)，則置輪載綜合信號(hào)為地面。

其次，綜合信息判斷機(jī)構(gòu)再將無(wú)線電高度信號(hào)、超聲波高度信號(hào)進(jìn)行空地狀態(tài)閾值條件判斷，隨后對(duì)輪載綜合信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，得到最終空地狀態(tài)標(biāo)志。

（1）傳感器信息有效性分析及處理流程

在對(duì)空地狀態(tài)進(jìn)行判斷前，飛控計(jì)算機(jī)先判斷各傳感器信息數(shù)據(jù)的有效性，若數(shù)據(jù)有效則進(jìn)入空地狀態(tài)綜合判斷，若無(wú)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(shí)，飛控計(jì)算機(jī)對(duì)各傳感器空地狀態(tài)信號(hào)進(jìn)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(shí)，飛控計(jì)算機(jī)對(duì)兩種傳感器空地狀態(tài)信號(hào)進(jìn)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(tài)信號(hào)綜合判斷邏輯圖。

圖4 兩種傳感器空地狀態(tài)信號(hào)判定邏輯圖。

③僅一種傳感器信息有效時(shí)，綜合信息判斷機(jī)構(gòu)直接輸出該傳感信號(hào)的空地狀態(tài)。

④三種傳感器信息都無(wú)效時(shí)，綜合信息判斷機(jī)構(gòu)直接置空地狀態(tài)為空中，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

另外，當(dāng)無(wú)人直升機(jī)飛行高度到達(dá)一定高度H時(shí)，該高度為無(wú)人直升機(jī)在空中的安全飛行高度，則空地狀態(tài)信號(hào)判定邏輯取消執(zhí)行，以進(jìn)一步提升飛行安全性。

（2）各傳感器信號(hào)的空地狀態(tài)判定方法

無(wú)線電高度信號(hào)與超聲波高度信號(hào)的空地狀態(tài)綜合判斷條件如下所述。

①無(wú)線電高度小于A1，超聲波高度小于A2，輪載信號(hào)經(jīng)三判二后的綜合信號(hào)為地面作為三個(gè)判斷條件，若上述兩個(gè)或三個(gè)條件成立，則空地狀態(tài)置為地面。

②無(wú)線電高度大于B1，超聲波高度大于B2，輪載信號(hào)經(jīng)三判二后的綜合信號(hào)為空中作為三個(gè)判斷條件，若上述兩個(gè)或三個(gè)條件成立，則空地狀態(tài)置為空中。

③無(wú)線電高度大于A1且小于B1，超聲波高度大于A2且小于B2時(shí)，各傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的空地狀態(tài)保持上拍結(jié)果。

其 中A1＜B1，A2＜B2，B1、B2＜H且A、B取值由無(wú)人直升機(jī)高度傳感器的安裝位置確定。各傳感器信號(hào)有效性及闕值判斷邏輯詳見圖5。

圖5 各傳感器信號(hào)有效性及闕值判斷邏輯圖。

結(jié)論

本文提出的方法增加了空地狀態(tài)判定的標(biāo)志依據(jù)，能夠結(jié)合無(wú)人直升機(jī)多種狀態(tài)特征來(lái)綜合判定空地狀態(tài)，可有效防止因單一狀態(tài)信息無(wú)效導(dǎo)致的空地狀態(tài)無(wú)法判定或誤判，狀態(tài)檢測(cè)準(zhǔn)確率有所提高，同時(shí)提高了飛行控制與管理系統(tǒng)的可靠性與無(wú)人直升機(jī)的飛行安全性。本文實(shí)施例中的高度傳感器信息源選取與數(shù)據(jù)處理方法不固定，可根據(jù)不同機(jī)型的特點(diǎn)靈活調(diào)整。該方法已應(yīng)用于無(wú)人直升機(jī)的空地狀態(tài)判斷，具有一定應(yīng)用前景。