[發明專利]一種融合相對高度和絕對高度獲得導航高度的方法

有效

• 申請號: 201410228158.4
• 申請日: 2014-05-27
• 公開（公告）號: CN104049636B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 蒙志君;陳旭智;林子豪;周堯明
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/04
• 分類號: G05D1/04
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種融合相對高度和絕對高度獲得導航高度的方法，其特征在于：它包括以下步驟：

步驟一：采用相對高度測量計，獲取飛行器距離地面的相對高度h_relat；

步驟二：采用絕對高度測量計，獲取飛行器的絕對高度h_abs；

步驟三：根據相對高度h_relat的大小，確定導航高度來源，該步驟的實施需要以下條件：

在相對高度測量計的量程范圍內，設定導航高度來源切換上限h_{max_limit}和切換下限h_{min_limit}；

確定導航高度來源的具體方法為：若相對高度h_relat大于導航高度來源切換上限h_{max_limit}，導航高度來源選擇為絕對高度；若相對高度h_relat小于導航高度來源切換下限h_{min_limit}，導航高度來源選擇為相對高度；若相對高度h_relat位于導航高度來源切換下限h_{min_limit}和切換上限h_{max_limit}之間，導航高度來源與上一周期導航高度來源相同，不發生變化；

步驟四：若上述步驟三確定導航高度來源為絕對高度h_abs，使用絕對高度h_abs計算導航高度h_Navi；

步驟五：若上述步驟三確定導航高度來源為相對高度h_relat，使用相對高度h_relat和地面海拔高度h_ground計算導航高度h_Navi，然后計算并記錄導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset。

2.根據權利要求1所述的一種融合相對高度和絕對高度獲得導航高度的方法，其特征在于：步驟四中所述的“使用絕對高度h_abs計算導航高度h_Navi”，其具體計算步驟為：

(4.1)判斷上一周期的導航高度來源是否為相對高度h_relat；

(4.2)若步驟(4.1)確定上一周期的導航高度來源為相對高度h_relat，啟用高度平滑函數，減小導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset，將高度平滑函數返回值賦值給變量h_{smooth_offset}；否則，不啟用高度平滑函數；這里應注意，“啟用”高度平滑函數是指“開始調用”高度平滑函數，在變量h_{smooth_offset}為0時，停止調用高度平滑函數；

所述的“高度平滑函數”，其具體形式如下：

fh=fhan(x1(k)-v(k),x2(k),r,h1)x1(k+1)=x1(k)+h·x2(k)x2(k+1)=x2(k)+h·fh---(1)]]>

公式(1)中函數fhan(x₁(k)-v(k),x₂(k),r,h₁)的表達式如下：

d=r·h12a0=h1·x2y=x1-v+a0a1=d·(d+8|y|)a2=a0+sign(y)·(a1-d)/2a=(a0+y)·fsg(y,d)+a2·(1-fsg(y,d))fhan=-r·(ad)·fsg(a,d)-r·sign(a)·(1-fsg(a,d))---(2)]]>

公式(2)中函數fsg(x,d)的表達式如下：

y＝fsg(x,d)＝(sign(x+d)-sign(x-d))/2???(3)

公式(2)(3)中函數sign(x)為符號函數，具體表達式如下：

y=sign(x)=1,x≥0-1,x<0---(4)]]>

其中，fh＝fhan(x₁(k)-v(k),x₂(k),r,h₁)是二階離散系統

x1(k+1)=x1(k)+h·x2(k)x2(k+1)=x2(k)+h·fh]]>

的最速控制函數，作用是使變量x₁(k)以有限步從其初始值x₁(0)到達期望值v(k)并跟蹤期望值v(k)，v(k)既可以是變量也可以是常量；公式(1)(2)中主要參數的定義如下：

h為離散系統的積分步長；

r為快速因子，r取值越大，變量x₁(k)對期望值v(k)的跟蹤速度越快；

h₁為濾波因子，h₁取值越小，變量x₁(k)對期望值v(k)的跟蹤速度越快；

公式(1)(2)用作高度平滑函數時，在第一次被調用時，將x₁(k)初始值x₁(0)賦值為步驟五中“計算并記錄的導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset”，期望值v(k)為常量0；因此調用高度平滑函數，將使導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset以有限步減小到0，高度平滑函數的返回值為x₁(k)；

(4.3)使用絕對高度h_abs和變量h_{smooth_offset}計算導航高度h_Navi；

其具體計算公式如下：

h_Navi＝h_abs+h_{smooth_offset}

式中，h_Navi為導航高度，h_abs為絕對高度，h_{smooth_offset}為高度平滑函數的返回值；

以上步驟四的實施過程中，高度平滑函數的調用將使導航高度來源由相對高度切換為絕對高度時，不會發生導航高度的跳變，有利于對無人飛行器高度的控制。

3.根據權利要求1所述的一種融合相對高度和絕對高度獲得導航高度的方法，其特征在于：步驟五中所述的“使用相對高度h_relat和地面海拔高度h_ground計算導航高度h_Navi”，其具體計算步驟為：

(5.1)判斷上一周期的導航高度來源是否為絕對高度h_abs；

(5.2)若步驟(5.1)確定上一周期的導航高度來源為絕對高度h_abs，計算并記錄地面海拔高度h_ground；否則，不計算地面海拔高度h_ground；所述的“計算地面海拔高度h_ground”，其計算公式如下：

h_ground＝h_Navi-h_relat

式中，h_ground為地面海拔高度，h_Navi為導航高度，h_relat為相對高度；

(5.3)判斷相對高度h_relat不發生變化的周期數n_trace是否大于設定值N_trace；其實施方法如下，首先設定判斷相對高度h_relat發生變化的閾值h_{relat_limit}，若本周期相對高度與上一周期相對高度的差值的絕對值小于閾值h_{relat_limit}，認為相對高度h_relat不發生變化，變量n_trace加1；若本周期相對高度與上一周期相對高度的差值的絕對值大于等于閾值h_{relat_limit}，認為相對高度h_relat發生變化，變量n_trace置0；然后判斷n_trace是否大于設定值N_trace；

(5.4)判斷導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset是否大于設定的閾值h_{offset_limit}；其差值h_offset的計算公式如下：

h_offset＝h_Navi-h_abs

公式中，h_offset為導航高度與絕對高度的差值，h_Navi為導航高度，h_abs為絕對高度；

(5.5)若步驟(5.3)確定相對高度h_relat不發生變化的周期數n_trace大于設定值N_trace并且步驟(5.4)確定導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset大于設定的閾值h_{offset_limit}，計算并記錄地面海拔高度h_ground；否則，不計算地面海拔高度h_ground；所述的“計算并記錄地面海拔高度h_ground”，其地面海拔高度h_ground的計算公式如下：

h_ground＝h_abs-h_relat

式中，h_ground為地面海拔高度，h_abs為導航高度，h_relat為相對高度；

(5.6)若步驟(5.5)計算并記錄了地面海拔高度h_ground，啟用高度平滑函數，減小本周期地面海拔高度與上一周期地面海拔高度的差值，該差值為步驟(5.5)中設定的導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值閾值h_{offset_limit}，將高度平滑函數返回值賦值給變量h_{smooth_offset}；否則，不啟用高度平滑函數；這里應注意，“啟用”高度平滑函數是指“開始調用”高度平滑函數，在變量h_{smooth_offset}為0時，停止調用高度平滑函數；所述的“高度平滑函數”，其具體形式與步驟(4.2)中“高度平滑函數”相同，作用是使變量x₁(k)以有限步從其初始值x₁(0)到達期望值v(k)，第一次調用高度平滑函數時，x₁(k)的初始值x₁(0)賦值為本周期地面海拔高度與上一周期地面海拔高度的差值h_{offset_limit}，v(k)值為常量0；因此調用高度平滑函數，將使地面海拔高度的差值h_{offset_limit}以有限步減小到0，高度平滑函數的返回值為x₁(k)；

(5.7)使用相對高度h_relat、地面海拔高度h_ground和變量h_{smooth_offset}計算導航高度h_Navi；其具體計算公式如下：

h_Navi＝h_relat+h_ground+h_{smooth_offset}

式中，h_Navi為導航高度，h_relat為相對高度，h_ground為地面海拔高度，h_{smooth_offset}為高度平滑函數的返回值；

(5.8)計算并記錄導航高度h_Navi與絕對高度h_abs的差值h_offset，其計算公式如下：

h_offset＝h_Navi-h_abs

公式中，h_offset為導航高度與絕對高度的差值，h_Navi為導航高度，h_abs為絕對高度；記錄的導航高度與絕對高度的差值h_offset將用于導航高度來源由相對高度切換為絕對高度時，高度平滑函數的使用；

以上步驟五的實施過程中，導航高度來源由絕對高度切換為相對高度時，計算地面海拔高度h_ground，并用于導航高度的計算，該步驟的目的是使導航高度來源切換時導航高度不發生跳變；判斷相對高度是否在超過N_trace個周期內不發生變化，是為判斷無人飛行器是否在跟蹤恒定的期望高度飛行，若是，說明無人飛行器正在跟蹤恒定的期望高度飛行，此時，判斷導航高度與絕對高度的值h_offset是否大于設定的閾值h_{offset_limit}，是為判斷真實的地面海拔高度是否已小于上一次計算的地面海拔高度，若是，說明真實的地面海拔高度已小于上一次計算的地面海拔高度，因此重新計算地面海拔高度并用于導航高度的計算，以上步驟使飛行器停止跟隨下降地形并恢復到期望高度；以上地面海拔高度的計算統稱為地面海拔高度更新機制，這種地面海拔高度更新機制保證導航高度來源切換時，導航高度平穩過渡，同時，還使飛行器及時停止跟隨海拔高度下降的地面飛行并恢復到期望飛行高度；地面海拔高度更新時對高度平滑函數的調用，能防止導航高度跳變，從而保證導航高度平穩過渡，有利于無人飛行器對高度的控制。