胡牡丹，唐小平，李智军，李 维，李 皊

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

一种无人机组合高度设计方法

胡牡丹，唐小平，李智军，李 维，李 皊

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

为得到较大空域条件下准确的无人机飞行高度信息，研究了一种气压高度表、无线电高度表及加速度计三种测高信号的组合高度设计方法。本文首先对各传感器的特性进行了分析，并根据测高模型误差特性，进行滤波预处理；再通过抗饱和积分反馈组合高度控制方法，得到组合高度。仿真结果表明，与常用低通滤波方法相比，组合高度信号更平稳、信噪比更高，可满足较大空域飞行要求。

无人机；无线电高度表；加速度计；组合高度

0 引言

为了实现无人机在较大空域条件下的自主飞行，准确测量高度信息是其飞行控制系统的必要输入条件。高度测量主要包括气压高度表、GPS、无线电高度表和加速度计四种传感器。气压高度表受大气压力影响，其测量误差会因高度的降低而增大，因此测量准确度难以保证；GPS定位准确度高，但由于其自身的定位原理使其具有测量数据更新慢以及因出现系统静默而导致系统不可用等缺点[1]；无线电高度表测量精度高，但它测量范围有限，而且测量得到的是飞行器至地面或海平面的相对高度，受地形或海面状况的影响较大；加速度计能准确反映高度方向的速度变化情况，短时间内对速度积分得到的高度变化量有很高的精度，但长时间误差会积累[2]。由此可见，各传感器受自身测量特性的限制，在一定情况下测量精度不能满足要求，所以依靠单一传感器很难满足无人机各种状态下的高度精确定位需求。为了解决这一问题，综合加速度计、气压高度表和无线电高度表三种测高元件的特点，本文提出了一种组合高度设计方法，有效利用各测高元件的高度信息，使得优势互补，克服单传感器测量精度不足的缺点。

1 传感器特性分析

1.1 气压高度表

标准大气模型是国际上统一采用的一种理想的大气模型，其以标准海平面作为零高度，规定了大气各参数与高度的关系。高度0～11km范围内标准压高公式如下[3]：

式中：Tb、pb和Hb分别为相应大气层的大气温度、大气压力和重力势高度的下限值；β为温度的垂向变化率；gn为标准自由落体加速度；R为空气气体常数；H1为被测高度。气压高度表传感器的量测方程可表示为：

式中：H测量1（s）为气压高度表测量高度；H(s)为真实高度；ε1(s)为测量噪声。

1.2 无线电高度表

无线电高度表是利用地面/海面对电磁波反射的原理来测量高度。电磁波是安装在无人机上的无线电发射机通过发射天线向下发出，经过时间t由地面/海面反射之后被高度表接收天线接收。故无人机实际高度为：

式中，C为电磁波传播速度；τ为电磁波从无人机到地面或海面再返回到无人机所用时间。

由于无线电高度表测量的是相对高度，将地形或海浪的起伏带进了控制回路，容易引起无人机波动，而无人机波动总是在一定程度上滞后于地形或海浪的变化，将增加无人机与地面或海浪相撞的危险，不利于无人机低空飞行[4]。无线电高度表测高精度较高，含有较强的高频噪声信号ε2(s)，量测方程表示如下：

式中：H测量2（s）为无线电高度表测量高度；H(s)为真实高度。

1.3 加速度计

固定在无人机上的捷联惯性导航系统的三个加速度计，可以分别测出坐标系三个方向的加速度。加速度计自主性强、可靠性高，不易受环境影响，短时间内工作测量精度高，但误差积累也会使高度信号发散。无人机相对地面/海面的飞行高度h3、垂向速度Vg和垂向加速度ag之间的关系表示如下：

量测方程方程表示如下：

式中：H测量3（s）为量测高度；H(s)为真实高度；ε3(s)为加速度计测量噪声。

2 无人机组合高度设计

针对无人机高度采集系统，组合高度设计思想为：首先各测高传感器测高信号通过滤波器进行滤波预处理；再对滤波后高度信号进行组合设计：低空飞行时，用无线电高度表高度信号确定基准高度；高空飞行时，用气压高度表高度信号确定基准高度；用加速度计积分高度确定相对高度。

2.1 滤波预处理

传感器量测噪声通常为高频噪声，对无线电高度表信号和气压高度表信息采用低通滤波器进行滤波预处理。而惯性高度为加速度计信号二次积分后得到，其中积分有滤波作用，因此，对加速度计输出的信号可以不进行滤波处理。

2.2 组合高度设计

组合高度设计中，无人机低空飞行时，以无线电高度滤波后信号为基准高度；无人机高空飞行时，以气压高度表滤波后信号为基准高度。因此，在组合高度初值装订时，低空装订无线电高度表初值、高空装订气压高度表初值。为使组合高度能平稳跟随无线电高度或气压高度表测高信号，在垂向速度和垂向加速度中引入高度差负反馈[5]；同时，为减小系统稳态误差，在垂向加速度中引入高度差积分负反馈信号，并对高度差PI综合信号进行限幅处理，防止积分信号饱和。抗饱和积分反馈组合高度控制框图见图1。

图1中，ag为加垂向加速度信号；hs为无线电高度或气压高度滤波后的高度信号；hc为组合高度信号；k1、k2为放大器反馈系数；k3为反馈通道中积分系数。

2.3 控制系统分析

根据图1可得输入输出关系如下：

化简得：

稳态误差为：

根据公式（9）可知，组合高度精度保持与传感器测高精度一致，即无人机低空飞行时，组合高度可保持与无线电高度表测高精度一致；高空飞行时，可保持与气压高度表测高精度一致。

为方便应用，控制系统参数选择过程中，可把系统设计成三阶衰减振荡型，即系统有一个实根，一对复根，于是：

则

三阶系统的动态特性由系统的主导极点决定，可以把一对复根作为主导极点，一个实根作为附加极点。当n时，系统近似于二阶系统。欠阻尼系统阻尼比ξ设计值一般为0.4～0.8之间，自振频率ωn根据实际地形或海浪频率进行设计。综上，可设计出k1、k2、k3各参数值。

2.4 仿真分析

为验证组合高度控制系统的有效性，本文针对无线电高度表输出信号和加速度计信号进行组合仿真验证。仿真中，以某无人机对海飞行数据为例，考虑海浪频谱一般在0.4～100之间，为了有效滤波，选ωn=0.2，且令，联合公式（11），可得控制系统各参数值：k1=1.24、k2=0.28、k3=0.04。为防止积分信号饱和、造成系统失控，对其进行遇限削弱积分处理。

某无人机对海飞行中，垂向加速度和无线电高度表高度测高数据分别如图2、图3所示。先对无线电高度表测高进行滤波预处理，再与垂向加速度信号进行组合控制，输出的组合高度如图3所示。

从图3可以看出，组合高度能有效滤除无线电高度表测高数据中的干扰信号，且能较好跟踪海面变化。

再将组合高度与常用的低通滤波器滤波效果进行比较。低通滤波器频率也选为0.2rad/s，无线电高度表测高信号经过低通滤波器后，输出滤波值与组合高度对比如图4所示。

从图4可以看出，组合高度比低通滤波高度更平稳、信噪比更高。

由于无线电高度表测高量程有限，无人机高空飞行时，采用气压高度测高信号与加速度计信号进行组合设计，控制系统参数设计过程与上述一致，不再赘述。

3 结语

本文对气压高度表、无线电高度表及加速度计三种传感器测高信号组合方案进行了研究，仿真结果表明，抗饱和积分反馈组合高度控制方法，既能利用无线电高度表在低空测高信号精度高的优点，又能利用气压高度表在高空测高信号精度高的优势，同时又能在无人机机动时迅速切除无线电或气压高度表、高度信息，仅依靠加速度计积分得到的高度信息进行控制，完成机动后，再恢复三者的组合，从而提高高度控制系统的可靠性。

[1]嵇越.无人机高度信息融合技术研究[J].电子设计工程，2014,9.

[2]朱晓娟.一种无人机高度传感器信息融合方法[J].航空学报,2008,5.

[3]谢勇.某无人直升机高度测量系统融合方法[J].兵工自动化,2008,5.

[4]柳爱利.滤波方法在反舰导弹高度测量系统中的应用[J].舰船电子工程,2011,10.

[5]王连俊.飞航导弹自动控制系统[M].北京：中国宇航出版社,1991,3.

>>>作者简介

胡牡丹，女，1985年出生，2010年毕业于宁波大学，硕士，工程师，现从事制导与控制研究工作。

A Combined Altitude Design Method for Unmanned Aerial Vehicle

Hu Mudan,Tang Xiaoping,Li Zhijun，Li Wei，Li Ling
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

An integrated altitude design method combining three height finding signals (barometric altimeter,radio altimeter and accelerometer)is developed to acquire correct altitude information of Unmanned Aerial Vehicle when flying in relatively large airspace Firstly,this paper analyzes on the charactoristics of each sensor,and then carries out pre-process of filtration based on the characteristics of height finding model,finally combined altitude is acquired by means of anti-saturation and integral feed combined altitude contral method.The simulation test,show that the combined altitude with higher signal-to-noice ratio is more smooth than common used low pass filtration,and it can meet the flying requirements in large airspace.

Unmanned Aerial Vehicle;Radio Altitude;Accelerometer;Combined Altitude

2017-03-19）