CN102187290A - 控制无人驾驶飞机在平台尤其是船上平台的圆形甲板网格上自动着陆/从其自动起飞的方法及系统 - Google Patents

控制无人驾驶飞机在平台尤其是船上平台的圆形甲板网格上自动着陆/从其自动起飞的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种方法，其特征在于，所述方法包括获得移动、计算平均位置、计算位置预测及计算最小网格(5)移动速度的步骤及获得无人驾驶飞机(4)的位置的步骤，以使得如果所述无人驾驶飞机不能跟随所述网格移动且所述网格的移动幅度小、即小于所述网格的半径范围，则可能采用通过监控所述网格的平均位置的着陆策略，且如果所述网格的移动幅度大，即大于所述网格的半径范围，则可能采用通过以所述网格的最小速度定位的着陆策略，且如果无人驾驶飞机(4)可以跟随网格(5)移动且所述网格的移动幅度小、即小于所述网格的半径范围，则可能采用根据所述网格的平均位置而定的着陆策略，且如果所述网格的移动幅度大、即大于所述网格的半径范围，则可能采用通过跟随着陆时所预测到的网格位置的着陆策略。

Description

控制无人驾驶飞机在平台尤其是船上平台的圆形甲板网格上自动着陆/从其自动起飞的方法及系统
技术领域
本发明涉及用于控制无人驾驶飞机在平台尤其是船上平台的圆形甲板网格上自动着陆/或从其自动起飞的方法及系统。
背景技术
已知的是，控制无人驾驶飞机在平台尤其是船上平台上着陆/起飞的问题已成为多年以来的议题。
具体地，这样的控制必须在例如处于波涛汹涌的大海中的尺寸小的比如巡洋舰类型的船上平台上提供，且无论无人驾驶飞机的大小如何必须提供这样的控制，无人驾驶飞机也可以是小尺寸的而且在高频率下移动。
此类型的执行于例如激光器、GPS、光学或其它装置上的自动控制方法已在现有技术中提出。
这些各种装置可能根据着陆策略使无人驾驶飞机开始着陆，所述着陆策略还根据现有技术中的各种计划变化。
因此，例如，已经提出的一种着陆策略在于持久地伺服控制无人驾驶飞机相对于平台甲板的位置。
其它着陆策略在于预测甲板的具体位置以开始着陆，所述甲板具体位置诸如为波峰。
其它策略还在于在甲板的最小移位速度下开始着陆。
然而，迄今为止提出的解决办法都无法令人十分满意，尤其是应用在波涛汹涌的大海中。
因此，本发明的目的是解决这些问题。
发明内容
为此，本发明的主题是一种控制无人驾驶飞机在船上平台的圆形甲板网格上自动着陆或者从所述圆形甲板网格自动起飞的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-获得所述网格的移动的步骤，
-计算所述网格的平均位置的步骤，
-计算所述网格的位置预测的步骤，
-计算所述网格的最小移位速度的步骤，及
-获得所述无人驾驶飞机的位置的步骤，以便：
.如果所述无人驾驶飞机不能够跟随所述网格移动，且如果所述网格的移动幅度小，换言之小于所述网格的半径范围，则采用通过跟随所述网格的所述平均位置的着陆策略，而如果所述网格的所述移动幅度大，换言之大于所述网格的所述半径，则采用通过以所述网格的最小速度定位的着陆策略；及
.如果所述无人驾驶飞机可跟随所述网格的所述移动，且如果所述网格的所述移动幅度小，换言之小于所述网格的所述半径范围，则采用根据所述网格的所述平均位置而定的着陆策略，且如果所述网格的所述移动幅度大，换言之大于所述网格的所述半径范围，则采用通过跟随在着陆时预测的网格位置的着陆策略。
根据本发明的其它方面，用于控制无人驾驶飞机自动着陆/起飞的方法及系统包含以下特性之一：
-该方法包括控制所述平台与所述无人驾驶飞机的动态速度及姿势状态的步骤、检查所述无人驾驶飞机确实垂直于所述网格的步骤及检查当所述网格完成其下降时预测到的网格位置确实位于所述无人驾驶飞机下方的步骤，以将着陆命令传递给所述无人驾驶飞机，
-该方法包括，在实际着陆阶段之前，所述无人驾驶飞机与所述平台在所述平台后面的一预定地理位置处的相遇阶段，接着是进场阶段，在此进场阶段期间，所述进场轨迹根据所述平台的平均移位航向全局地定向以从所述平台的后部执行进场，
-该方法包括在将起飞命令发给所述无人驾驶飞机之前检查所述平台的姿势状态的步骤，及
-控制所述姿势状态的步骤在于计算所述平台的横摇及纵摇预测及在起飞所需的时间期间检查平台的这些横摇及纵摇预测在预定的阈限内。
根据另一方面，本发明的另一目的是实施此方法的系统。
附图说明
根据仅作为示例给出的以下描述且参考附图，将会更好地理解本发明，其中：
图1及图2示出了船上平台与无人驾驶飞机的进场轨迹的侧视图及俯视图，
图3示出了这样的无人驾驶飞机的着陆，
图4是根据本发明的自动着陆方法的状态图，
图5及图6示出了通过实施根据本发明的控制方法获得的着陆冲击仿真，及
图7是根据本发明的自动起飞方法的状态图。
具体实施方式
图1、图2及图3示出了控制无人驾驶飞机在船上平台的圆形甲板网格上自动着陆的方法。
此平台在这些附图中例如由通用标记1表示，且因此所述平台包含由通用标记2表示的着陆区，所述着陆区设有适于接收例如鱼叉的网格，当无人驾驶飞机以传统方式着陆时，所述网格用来将其保持在恰当位置。
当着陆时，根据本发明的控制方法在于借助所述平台的地理位置信息使无人驾驶飞机进入靠近所述平台的场地，接着借助例如为光学着陆传感器类型的高频运动传感器来自动领航无人驾驶飞机相对于此平台的速度，以使其在所述平台的甲板网格上十分安全地着陆。
为此，处理所述平台的位置及速度测量以产生所述无人驾驶飞机的进场轨迹，接着处理与所述平台的惯性测量混杂的平台/无人驾驶飞机方位角误差测量以产生所述无人驾驶飞机的最终着陆轨迹。
为了在平台的上层结构周围建立稳定的空气流通速度且保证飞行稳定，计算出的轨迹类似于直升机着陆的轨迹，而且因此对于航空专员而言，视觉安全控制与直升机的视觉安全控制相同。
因此目的不仅是不断伺服控制无人驾驶飞机相对于平台甲板的位置，而且实际上是将无人驾驶飞机置于甲板的大体移动区域上方的特定位置处，接着等待位置、速度及姿势条件被满足。
目的也不仅仅是预测着陆的波峰。
实际上，短期预测甲板位置及姿势仅使得可能检查到触地时仍会满足所述条件，使无人驾驶飞机的起落架牢固使得承受相应速度成为可能。
而且，在关键的着陆阶段期间，两个航行器的相对距离，也就是说所述平台与所述无人驾驶飞机的相对距离通过非GPS技术例如光学技术检测，且因此可持续性地获得且可靠。
实际上，所述无人驾驶飞机的收回大致分为这些图1、图2及图3中示出的三个阶段。
这些阶段为相遇、进场及着陆。
所述无人驾驶飞机与平台的相遇是将无人驾驶飞机置于地理方位NED(北东地)的一固定位置上方的阶段，例如所述固定位置为一GPS位置。
在所估计的相遇时间，此位置位于朝向所述平台后部的安全高度处。此位置在图1及图2中表示为E1及E2。
所述进场是使所述无人驾驶飞机以相对风向进入甲板的连续事件。
通过从位置E1来看使所述两个航行器对齐，平台的平均地理位置信息用来定义所述无人驾驶飞机的设定位置进场轨迹。
根据所述平台的平均前进方向对所述进场轨迹进行全局地定向，以从这个平台的后部(例如，朝向平台的直升机吊挂)进行进场。
接着，无人驾驶飞机的轨迹精确地朝着与平台反向的极大风力取向，如果所述极大风力在无人驾驶飞机/平台对所允许的风力限制内的话。如果其不在所述风力限制内，则平台的航空指挥台不履行风力合约，且轮船的路线必须改变以遵守这些风力限制。
此进场轨迹经过这些图1及图2中示出的位置E2，所述无人驾驶飞机以合适的距离及高度与所述平台聚合。
随着无人驾驶飞机继续靠近所述平台，其进入位于所述平台上的光角误差测量装置的视场中，此视场在这些图1及图2中由通用标记3表示。
接着开始精确领航无人驾驶飞机的阶段以实现其着陆。
接着，在形成所述角度误差测量传感器的装置的控制下，所述无人驾驶飞机确定位置设定位置W、T1及T2的顺序并且在这些位置中的每一位置处设计有等待阶段，以检查是否满足着陆的动态条件，且尤其是所述甲板与所述无人驾驶飞船之间的相对速度及姿势角度。
接着，所实施的着陆策略将取决于所述平台的移动及所述无人驾驶飞机的动态。
因此，如果所述无人驾驶飞机无法跟随所述网格的移动，且如果所述网格的移动幅度小，也就是说小于所述网格的半径范围，则将采用基于跟随所述网格的平均位置的着陆策略，而如果所述网格的移动幅度大，也就是说大于所述网格的半径范围，则将采用基于以所述网格的最小速度定位的着陆策略。
如果所述无人驾驶飞机可以跟随所述网格的移动，且如果所述网格的移动幅度小，也就是说小于所述网格的半径范围，则将采用根据所述网格的平均位置的着陆策略，且如果所述网格的移动幅度大，也就是说大于所述网格的半径范围，则将采用基于跟随着陆甲板时预测的网格位置的着陆策略。
当所述无人驾驶飞机在T2处且同时满足以下状况时，给出竖直下降命令：
1)满足动态速度及姿势条件，这些主要取决于起落架的强度及所述无人驾驶飞机的重心的高度。
2)所述无人驾驶飞机由形成光角误差测量传感器的装置测量到其垂直于所网格。
3)当所述无人驾驶飞机将完成其垂直下降时，也就是说，例如在不到5秒中，预测到所述网格的位置在无人驾驶飞机的下方。
为了观察所述网格的移动且确定着陆策略，利用了在所述平台的平均伪惯性定位内提取出所述网格的移动的原理，且所述网格位置的短期预测通过利用估计刚刚稳定的振荡滤波器的系数的技术利用传统的信号处理技术来统计性地确定一物理系统的行为，从而预测以平台速度行进的伪惯性定位中所述网格的位置。
所述滤波器系数的数字调节是决定因素，且考虑到所述平台移动的随机因素，这些技术允许在几秒中进行稳定预测，这足以确定将准确无误地进行着陆。
所有这些方法已经可以从现有技术得知，且因此下文将不作更详细地描述。
如图3中所示，这使得可能将此附图中通用标记4表示的无人驾驶飞机带到所述平台1的甲板上方且尤其是在所述平台1的甲板网格5上方。
一旦着陆，可以启动用来将所述无人驾驶飞机固定到所述甲板上的装置，诸如，举例而言为所述甲板网格中的一鱼叉。
例如，这在图4中示出，从图4中可看到发送给无人驾驶飞机且更具体地发送给其自动领航装置的不同命令，命令其在步骤10中将自身置于位置E 1处，在步骤11中将自身置于位置E2处，在步骤12中将自身置于位置W处，在步骤13中其位置控制从GPS系统转换到光角误差测量传感器。
所述无人驾驶飞机接着移动到T1，如步骤14中所示，接着在步骤15中经过等待阶段之后，在步骤16中下降到T2，且在步骤17中经过等待阶段之后，在步骤18中着陆在甲板上，之后在步骤19中启动所述固定装置，例如鱼叉。
图5及图6示出了在165°涌浪(15°向前)的5级风力海况中进行50次着陆的以蒙特海洛型仿真扫描形式的着陆轨迹及冲击仿真。
这些附图示出了：在50次仿真着陆中，有39次在第一次尝试时就获得成功。
在第一次着陆时有11个甲板沿着所述网格的边，且在此情况下所述无人驾驶飞机需要再次起飞且再次尝试着陆甲板。
已启动全面测试且已证实此控制方法的可靠性。
类似地，根据本发明的所述方法还包含在将起飞命令发给所述无人驾驶飞机之前检查所述平台的姿势状态的步骤。
此控制步骤在于计算平台的横摇及纵摇预测且在于在起飞所需的时间期间检查这些横摇及纵摇预测在预定阈限内，如图7中所示，或者在步骤20中示出的启动步骤之后，在步骤21中所述无人驾驶飞机处于待命状态，之后在步骤22中发动其自动起飞，自动起飞之后，在步骤23中，认为所述无人驾驶飞机在执行任务中。
因此，所述自动起飞由起飞时刻所述平台的姿势状态决定，以避免使无人驾驶飞机以过大角度起飞且具有不期望的水平速度。
则起飞原理包括在起飞命令后与位置E1会合，要注意在起飞所需的时间期间连续预测所述平台的横摇及纵摇姿势在许可的阈值内之后，才发出所述起飞命令。
用来实施此方法的系统包含诸如用来获取数据(举例而言为网格移动)及诸如计算例如此网格的平均位置或者预测网格位置及网格的最小移位速度的一定数目的装置。
其还包含用来获取所述无人驾驶飞机位置的装置及用来将指挥命令发送给无人驾驶飞机且更具体地发送给无人驾驶飞机的自动领航装置的装置，以使其十分安全地着陆和/或起飞。
由于基于数据采集惯性单元、GPS系统、光学装置等的这些装置具有传统结构，下文中将不对它们作更详细描述。
当利用这些装置时，这些装置可具有含电脑程序的任意恰当结构以实施以上描述的各个步骤。

Claims (6)

1.一种控制无人驾驶飞机(4)自动着陆/起飞的方法，所述着陆是在船上平台(1)的圆形甲板网格(5)上着陆，所述起飞是从所述圆形甲板网格起飞，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-获得所述网格(5)的移动的步骤，
-计算所述网格(5)的平均位置的步骤，
-计算所述网格(5)的位置预测的步骤，
-计算所述网格(5)的最小移位速度的步骤，及
-获得所述无人驾驶飞机(4)的位置的步骤，以便：
.如果所述无人驾驶飞机(4)不能够跟随所述网格(5)的移动，且如果所述网格(5)的移动幅度小，换言之小于所述网格的半径范围，则采用通过跟随所述网格的所述平均位置的着陆策略，而如果所述网格的移动幅度大，换言之大于所述网格的所述半径范围，则采用通过以所述网格的最小速度定位的着陆策略；及
.如果所述无人驾驶飞机(4)能跟随所述网格的所述移动，且如果所述网格(5)的所述移动幅度小，换言之小于所述网格的所述半径范围，则采用根据所述网格的所述平均位置而定的着陆策略，且如果所述网格的所述移动幅度大，换言之大于所述网格的所述半径范围，则采用通过在跟随着陆甲板时预测的网格位置的着陆策略。
2.如权利要求1所述的控制无人驾驶飞机自动着陆/起飞的方法，其特征在于，该方法包括控制所述平台(1)与所述无人驾驶飞机(4)的动态速度及姿势状态的步骤、检查所述无人驾驶飞机(4)确实垂直于所述网格(5)的步骤及检查在所述网格完成其下降时所预测的所述网格(5)的位置确实位于所述无人驾驶飞机下面的步骤，以将着陆命令传递给所述无人驾驶飞机。
3.如权利要求1或2所述的控制无人驾驶飞机自动着陆/起飞的方法，其特征在于，该方法包括，在实际着陆阶段前，所述无人驾驶飞机(4)与所述平台(1)在所述平台后面的一预定地理位置处的相遇阶段，接着是进场阶段，在此进场阶段期间，所述进场轨迹根据所述平台的平均移位航向全局地定向以从所述平台的后部执行进场。
4.如上述权利要求中的任一项所述的控制无人驾驶飞机自动着陆/起飞的方法，其特征在于，该方法包括在将起飞命令发给所述无人驾驶飞机(4)之前检查所述平台(1)的姿势状态的步骤。
5.如权利要求4所述的控制无人驾驶飞机自动着陆/起飞的方法，其特征在于，控制所述姿势状态的所述步骤在于计算所述平台(1)的横摇及纵摇预测，以及，在所述无人驾驶飞机(4)起飞所需时间期间检查所述平台的这些横摇及纵摇在预定的阈限内。
6.一种控制无人驾驶飞机(4)在船上平台(1)的圆形甲板网格(5)上自动着陆或从所述圆形甲板网格自动起飞的系统，其特征在于，该系统包括获得所述网格(5)的移动的装置、计算所述网格(5)的平均位置的装置、计算所述网格(5)的位置预测的装置、计算所述网格(5)的最小移位速度的装置、获得所述无人驾驶飞机的位置的装置及检查所述平台的姿势状态的装置，以执行上述权利要求中任一项所述的方法。
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