一種傘降無人機自主回收方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種傘降無人機自主回收方法，將降落地點、進入角和回收高度發(fā)送給無人機；無人機自動規(guī)劃并執(zhí)行回收航線；接近回收點時，將發(fā)動機停車后的運動劃分為滑行段、拉停段、漂移段，飛控程序自動查詢當時無人機重量、速度、海拔高度、風(fēng)場等條件，計算出停車、開傘位置；自主執(zhí)行停車、開傘指令。本發(fā)明使傘降模型能適應(yīng)從低海拔直至青藏高原5000千米以上的所有海拔高度，降低了對飛行控制精度、時間準確度的要求，提高了回收精度，節(jié)省了對測風(fēng)設(shè)備及人員的需求，免除了人員的測風(fēng)、計算、操縱負擔(dān)，使無人機操縱變得簡單方便。
【專利說明】
一種傘降無人機自主回收方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無人機領(lǐng)域，尤其涉及傘降無人機回收方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傘降無人機具有不需要跑道、回收場地要求低等優(yōu)點，應(yīng)用范圍越來越廣。回收流 程通常是先根據(jù)周邊地形選取回收地點、進入方向，然后根據(jù)飛行高度、速度、風(fēng)速、風(fēng)向、 傘降速度估計出停車位置和開傘位置，進而規(guī)劃出回收航線，最后控制無人機按航線飛行， 并適時發(fā)出停車、開傘指令。
[0003] 其中的航線規(guī)劃、飛行控制等過程都要求操縱人員有豐富的操控經(jīng)驗，對無人機 高度、速度、航跡等狀態(tài)的控制都要求十分精確，風(fēng)速、風(fēng)向的測量及時準確，對停車、開傘 指令的發(fā)送時機把握精準。即使如此，也很難避免因判斷失誤、風(fēng)場擾動等不確定因素導(dǎo)致 落點偏差，造成機體受損。
[0004] 公開號為CN104991565A的專利提出一種自主回收的策略，但內(nèi)容多局限于對進入 條件的判斷，如是位置、高度、空速、航跡偏差是否滿足預(yù)設(shè)條件。而對降落準確度影響最大 的風(fēng)場問題，僅作理想化處理。如將停車點到開傘點的過程認為速度、高度不變，將開傘后 的下降過程簡化為勻速下降。
[0005] 申請?zhí)枮镃N201010225088.9的專利中，也是將傘降過程簡化為勻速下降。
[0006]公開號為CN104163244A的專利將回收階段分為:無動力飛行段、滑行段、漂移段， 根據(jù)人工測量的風(fēng)速、風(fēng)向及已知的無人機狀態(tài)，快速計算出無人機離預(yù)定落點的停車距 離、開傘時刻、方位。該方法大大提高了無人機回收安全性，提高了無人機的使用效能。
[0007] 以上方法都是由地面人員規(guī)劃出航線，然后向無人機發(fā)出指令，時效性差，難以適 應(yīng)隨時變化的無人機狀態(tài)、風(fēng)場變化等不確定因素；要求精確控制無人機姿態(tài)、速度、進入 角度，對操縱人員的技能要求很高;采用固定的傘降速度，難以適應(yīng)不同海拔不同空氣密度 下的傘降要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自主傘降回收方法，能減少氣象保障 設(shè)備和人員，適應(yīng)不同海拔高度，徹底解放飛行操縱人員，而且能根據(jù)飛行狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng) 向，準確的把握停車、開傘時刻。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[00?0]步驟1:將設(shè)定的降落點Dq(xq，y〇)、回收高度H、進入角A與回收指令發(fā)送給無人機；
[0011] 步驟2、從降落點0心〇,7())向進入角4的反方向（4+180°)延伸31〇11，作為降高點〇1， 無人機繞降高點〇:盤旋降低到回收高度H，再沿航線飛向D Q(XQ，y0);
[0012] 步驟3、距離降落點D〇(x〇，y())2km時，查詢當前無人機重量m、空速v、當?shù)睾０胃叨?H〇、風(fēng)速vw和風(fēng)向Aw;
[0013] 步驟4、將回收階段劃分為滑行段、拉停段和漂移段；
[0014] 所述滑行段tl是從發(fā)動機停車到降落傘打開前的時間段，滑行段無人機的高度下 降dHi = 0，水平前進距離Li = vti+Vwticos (A-Aw);
[0015] 所述拉停段t2是從傘艙蓋打開到無人機空速降為零的時間段，拉停段無人機的高 度下降dH2,前沖距離L 2 = L^ + L2〃，其中，L，是無風(fēng)情況下前沖距離，
L2〃是風(fēng)對前沖距離的影響，L2〃 = Vwt2C0 s ( A-Aw );
[0016] 所述漂移段t3是無人機在降落傘牽引下勻速下降，直至落地的時間段，漂移段無 人機水平運動方向相對空氣運動為零，距離L3 = vwt3;其中，下降時間t3 = (H-dHi_dH2)/VL， 下降速度Vl由降落時垂直方向的受力mg = 0.5VL2pCA決定，g為重力加速度，P為空氣密度，C 為降落傘阻力系數(shù)，A為降落傘面積；
[0017]步驟5、根據(jù)預(yù)定降落點〇0(10,70)反推出開傘后無人機需要前沖到的最遠點〇4(1， y)，其中，x = x〇+dx，y = yo+dy，dx = L3C〇s(Aw+180)，dy = L3sin(Aw+180);
[0018] 步驟6、從飛機當前位置，直線飛向D4(x，y)點;在與D4(x，y)點距離為^+"的出點發(fā) 動機停車，與D4(x，y)點距尚為L2的D3點開傘。
[0019] 所述的進入角A確保無人機逆風(fēng)進入，且減小與風(fēng)向的夾角。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：引入不同海拔高度、不同余油重量條件下的傘降速度，采用 試驗數(shù)值雙線性差值的方法預(yù)估拉停段前沖距離，使傘降模型能適應(yīng)從低海拔直至青藏高 原5000千米以上的所有海拔高度;無人機自主生成并執(zhí)行回收航線，降低了對飛行控制精 度、時間準確度的要求，提高了回收精度;采用空速與地速矢量三角形推算風(fēng)速、風(fēng)向的方 法，節(jié)省了對測風(fēng)設(shè)備及人員的需求。
[0021] 同時本方法由無人機自主完成，免除了人員的測風(fēng)、計算、操縱負擔(dān)，使無人機操 縱變得簡單方便。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的回收航線示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0024] 本發(fā)明所涉方法步驟如下:人工選擇降落地點、進入角和回收高度(停車點距離地 面的絕對高度），發(fā)送給無人機;無人機自動規(guī)劃并執(zhí)行出回收航線;接近回收點時，將發(fā)動 機停車后的運動劃分為滑行段、拉停段、漂移段，飛控程序自動查詢當時無人機重量、速度、 海拔高度、風(fēng)場等條件，計算出停車、開傘位置；自主執(zhí)行停車、開傘指令。具體包括以下步 驟：
[0025]步驟1:人工選擇降落點DoUojo)、回收高度H、進入角A(-般選擇逆風(fēng)進入，且與 風(fēng)向夾角盡量小，以利于降落傘張開），隨同"回收"指令發(fā)送給無人機；
[0026]步驟2:無人機收到"回收"指令后，從降落點DoUojo)向進入角A的反方向（A+ 180°)延伸3km，作為降高點Di，盤旋降低到回收高度H，再沿航線飛向DQ(XQ，y 0);
[0027] 步驟3:距離降落點Do(xo，y())2km時，查詢當前無人機重量m、空速v、當?shù)睾０胃叨?Ho、風(fēng)速Vw、風(fēng)向Aw。其中：
[0028] m:由飛機空載重量(含降落傘)與油量之和；
[0029] V:由機上空速傳感器測得；
[0030] 、Aw:通過地速、空速、風(fēng)速的矢量三角形計算得出；
[0031] Ho:無人機起飛點的海拔高度；
[0032]步驟4:劃分回收階段；
[0033] 步驟4.1:滑行段tl，指的是從發(fā)動機停車到降落傘打開前的時間段，此階段時間 為11 = 2秒，因時間很短，可近似認為空速下降dv = 0，高度下降(1? = 0;水平前進距離為1^ = vti+VwtcosU-Aw)。這里進入角A與風(fēng)向Aw的夾角很小，所以僅考慮風(fēng)在航線方向的分量。
[0034] 步驟4.2:拉停段t2,指的是從傘艙蓋打開、拋出引導(dǎo)傘、牽出并張滿主傘，直到飛 機空速降為零的時間段。
[0035] 此階段高度下降了dH2，接近傘繩長度;前沖距離L2 = IV +L2〃由兩部分組成。
[0036] IV是無風(fēng)情況下前沖距離，由降落傘廠家給出的空投試驗數(shù)值使用雙線性差值
(其中vo為開傘時真空速），開傘時的 真空速由空速計算得出
[0037] L/是風(fēng)對前沖距離的影響，L2 = Vwt2C〇S(A-Aw)。由于回收航線都設(shè)置為逆風(fēng)方 向，所以垂直于航線方向的分量Vwt2sin(A-Aw)很小，可近似為零，所以僅考慮風(fēng)在航線方向 的分量。
[0038] 步驟4.3:漂移段t3,指的是無人機在降落傘牽引下勻速下降，直至落地這一時間 段。水平運動方向相對空氣運動為零，距離L3 = vwt3;其中，下降時間t3 = (H-dHi_dH2)/VL，而 下降速度Vl由降落時垂直方向的受力情況決定，即mg = 0.5 Vl2pCA。其中：
[0039] m:飛機重量；
[0040] g:重力加速度9.8;
[0041] p:空氣密度，ρ = 3·701 · 10-9Hq2-1.162 · 10-4Η〇+1·2246;
[0042] C:降落傘阻力系數(shù)；
[0043] A:降落傘面積。
[0044]步驟5:根據(jù)預(yù)定降落點DoUojo)，反推出開傘后無人機需要前沖到的最遠點D4 (x,y) 〇
[0045] dx = L3C〇s(Aw+180)
[0046] dy = L3sin(Aw+180)
[0047] x = xo+dx, y = yo+dy
[0048] 步驟6:從飛機當前位置，直線飛向D4(x，y)點。在距離為U+Ls的02點自動執(zhí)行"停 車"指令，距離D 4( X，y)為L2的03點自動執(zhí)行"開傘"指令。
【主權(quán)項】
1. 一種傘降無人機自主回收方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟1:將設(shè)定的降落點Do(xo，y())、回收高度H、進入角A與回收指令發(fā)送給無人機； 步驟2、從降落點D〇(x〇，y())向進入角A的反方向(A+180°)延伸3km，作為降高點Di，無人機 繞降高點〇:盤旋降低到回收高度H，再沿航線飛向DQ(XQ，y0); 步驟3、距離降落點Do(xo，y())2km時，查詢當前無人機重量m、空速v、當?shù)睾０胃叨菻o、風(fēng) 速Vw取I風(fēng)向Aw; 步驟4、將回收階段劃分為滑行段、拉停段和漂移段； 所述滑行段ti是從發(fā)動機停車到降落傘打開前的時間段，滑行段無人機的高度下降dm =0，水平前進距離1^1 = ￥1：1+￥?1：1(3〇8(厶-八》); 所述拉停段t2是從傘艙蓋打開到無人機空速降為零的時間段，拉停段無人機的高度下 降d Η 2，前沖距離L 2 = L 2 ' + L 2 〃，其中，L 2 '是無風(fēng)情況下前沖距離， ?r7 λ ττ ?5 + 0.002?I"， , Α ι. τ±τ ^ <Ttr / 7 0.0065II,),-,； L, - Π 0 + ΘΜ3Ηο +-------如），ν〇為開傘時真空速，ν0 =(?/-- ) -V.; " 110 288. It! L2〃是風(fēng)對前沖距離的影響，L2〃 = Vwt2co s ( A-Aw ); 所述漂移段t3是無人機在降落傘牽引下勻速下降，直至落地的時間段，漂移段無人機 水平運動方向相對空氣運動為零，距離L3 = Vwt3;其中，下降時間t3 = (H-dm-dfti)/VL，下降 速度VL由降落時垂直方向的受力mg = 0.5Vl2pCA決定，g為重力加速度，P為空氣密度，C為降 落傘阻力系數(shù)，A為降落傘面積； 步驟5、根據(jù)預(yù)定降落點Do(XQ，y())反推出開傘后無人機需要前沖到的最遠點D4(x，y)，其 中，x = xo+dx，y = yo+dy，dx = L3C〇s(Aw+180)，dy = L3sin(Aw+180); 步驟6、從飛機當前位置，直線飛向D4(x，y)點；在與D4(x，y)點距離SU+Ls的出點發(fā)動機 停車，與D4(x，y)點距尚為L2的D3點開傘。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傘降無人機自主回收方法，其特征在于:所述的進入角A確保 無人機逆風(fēng)進入，且減小與風(fēng)向的夾角。
【文檔編號】G05D1/10GK105867413SQ201610239808
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】劉少華, 賀若飛, 趙娜, 肖佳偉, 劉洋
【申請人】西安愛生技術(shù)集團公司, 西北工業(yè)大學(xué)