地形跟蹤飛行控制系統，又稱地形跟隨飛行控制系統。地型跟隨是在保證飛機的隱蔽性，安全性及乘員的舒適性的條件下，讓飛機採用全自動的方式跟隨高低起伏的地形。實現方法包含超音波法、雷射紅外法以及視覺法。當根據實際地形規劃出飛機的最優參考飛行軌跡後，我們所面臨的關鍵問題就是設計出合理的控制器使飛機沿參考軌跡飛行。
基本介紹
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簡介
地形跟蹤飛行控制系統，又稱地形跟隨飛行控制系統。
地型跟隨是在保證飛機的隱蔽性，安全性及乘員的舒適性的條件下，讓飛機採用全自動的方式跟隨高低起伏的地形，由於地形的分類極為複雜，飛機要採用全自動的方式跟隨地形，必須事先根據機上雷達的地形採樣計算出最優參考軌跡，否則飛機的飛行將是盲目的，更談不上“全自動”。目前，計算最優參考軌跡的方法有多種，如以經典控制理論為依據的適應角法、樣板法等，以及以現代理論為基礎的三次樣條法。
在地形跟隨系統中，當根據實際地形規劃出飛機的最優參考飛行軌跡後，我們所面臨的關鍵問題就是設計出合理的控制器使飛機沿參考軌跡飛行。
實現方法
現今無人機在高度保持的控制方法上，主要依賴氣壓感測器。無人機利用氣壓感測器測得的飛行高度，通過主控晶片處理，並經由多級 PID 反饋控制器傳遞，最終實現無人機的高度保持。但是單純依賴氣壓計的定高策略不能夠測得無人機與地面間的相對距離，以至無法實現地形的跟隨保持。另一方面，為了彌補氣壓計在距離測量上的缺陷，一些研究機構和公司在無人機氣壓定高的基礎上安裝了特定的距離測量感測器，這些測距感測器利用不同的測距原理來測量無人機的對地距離，以實現地形跟隨的功能。
利用測距感測器實現地形跟隨的方法主要有超音波法、雷射/紅外法以及視覺法。
超音波法
超音波法是利用超音波來探測物體的位置。超音波感測器發射超音波，超音波遇到物體後返回，利用超音波往返的時間差來求得距物體的距離。超音波法的成本低，實現方法簡單，是無人機地形跟隨中常用的測距方法。但是超音波感測器的採樣頻率低，受吸音材質影響較大。另一方面，單超音波感測器由於超音波的方向性不好會存在測量盲區，而多個超音波感測器同時使用會產生一定串擾。
雷射/紅外法
雷射/紅外法是通過電磁波來探測物體的位置，電磁波在發射和接收過程中會產生時間差或相位差，感測器利用時間或相位的變化來進行距離測量。其中，雷射感測器的光束集中，方向性好，彌補了超音波測距在方向性上的不足，並且雷射測距的精確度很高。但是，雷射感測器成本高，設備體積大，功耗高，不適合在小型無人機上使用。紅外感測器與雷射感測器類似，使用不同頻率的紅外光進行測距。近些年在傳統紅外感測器的基礎上發展出了基於近紅外光的 TOF 感測器，TOF 感測器測量距離遠，精度高，已被廣泛套用於各行各業。
視覺法
視覺法是近些年興起的一種新的測距方法。無人機通過攝像頭採集周圍環境的圖像信息，並通過圖像算法得到自身與被測物體間的距離。視覺法一般使用雙目攝像頭，或利用單個攝像頭前後幀圖像的對比來計算到物體間的距離。視覺法具有探測範圍廣，同時可以獲得物體形狀、速度等信息的優勢，這些優勢在無人機自主飛行研究方面有著重要的價值和意義。但是圖像數據在後期處理中，由於特徵提取、邊緣銳化等圖像算法較為複雜，計算量大，對飛控系統的處理器要求較高。而且，視覺法受現場光線強弱的影響很大，在實際套用中，常將視覺法與其他方法進行組合使用，以完成複雜的飛行任務。
算法設計
在地形跟隨的控制方法中，最常用的是經典的PID反饋控制法。PID 控制器原理簡單，使用方便，適應性和魯棒性都非常強；同時，PID 控制器使用時不需要精確的數學模型，所以非常適合無人機地形跟隨這種飛行環境不確定，數學模型不精確的控制場景。
地形跟隨算法的主程式包括感測器數據的採集，多感測器數據的融合，以及利用三級 PID 控制器對無人機的跟隨飛行進行控制。地形跟隨主程式作為飛行控制系統的子系統，運行在飛控系統的主循環中，和飛控系統協同工作。
飛機控制系統
飛行控制系統，簡稱飛控系統，是飛行平台的核心，它的主要功能是保持飛機正常的飛行姿態。通過飛控系統的有效工作，飛機可以在空中保持自身姿態與航跡的穩定而不受環境的干擾；同時按照地面指令的要求，改變飛機的姿態與航跡。一個合格的飛控系統是實現地形跟隨的基礎。
飛行控制系統包括機載硬體系統、機載控制系統和地面控制系統。飛控系統的機載硬體系統包括了主控晶片，慣性測量單元及氣壓計等多種感測器，以及外圍相關電路。並通過外部擴展接口和相關匯流排協定，連線電子羅盤、GPS、測距感測器及視覺感測器等外接模組，進一步增強飛控系統的工作能力。飛控系統的感測器用於測量飛機的位置、速度、加速度以及角度等狀態信息，並將這些信息傳遞給主控晶片進行信息處理，最終形成控制信號，作用於伺服電機，控制飛機的穩定飛行。
