CN104163244A - 一种无人机伞降方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无人机伞降方法，步骤为：选择无人机预定落地点；划分回收阶段为：无动力飞行段，滑行段，漂移段；根据测量风速、已知的飞机状态，快速计算出飞机离预定落地点“停车”距离、开伞时刻、方位；控制无人机进入回收航线；地面控制站根据计算结果和飞机状态向飞机发出停车、开伞指令。该方法可计算出小型无人飞机在期望地点着陆时的最佳停车、开伞时刻，以及采用的飞行航向，俯仰角要求，成本低，安全性高。

Description

一种无人机伞降方法
技术领域
本发明涉及无人机降落回收技术，特别是通过降落伞回收方式技术。
背景技术
对采用低空伞降回收方式进行回收的无人机而言，回收阶段传统上均由地面操纵人员凭借目视进行控制,若希望在给定点降落，飞行操纵人员需拥有丰富的操作经验，即便如此，由于操纵人员判断存在偶然性，其降落点散布也较大，特别在有风场扰动，回收场地受到约束的条件下，将很难避免飞机因降落地点的限制而导致机体损伤（由于无人机着陆在距离地面一定高度开伞降落，无人机系统受到空气阻力小于其重量，降落相对地面有一定的速度，对地面形成一定冲击，由于反作用力，无人机起落架系统收到冲击，若地面较硬，冲击力会损伤起落架、机翼、甚至机身。若因落地点在水平有草坪或土地松软的地方，冲击能量被吸收，可避免地面冲击力损伤飞机。），使得维修成本增加，同时减低了无人机的使用效能。因此有必要开发一种无人机伞降定点测量方法，以确定开伞时刻，采取相应的控制策略与操纵程序，确保无人机伞降后无损伤。
采用伞降方式的无人机回收段通常由以下几个阶段组成：(1)进人回收航线：调整飞行航迹以及航向，使飞机按期望的航线进人回收场地。(2)无动力飞行段：减速到预定速度．指令“停车”关闭发动机，随后发送“开伞”指令，飞机作无动力飞行。(3)开伞减速段：指令开伞，降落伞舱门打开，带出引导伞。引导伞拉出主伞包，并将主伞伞衣拉直。根据所限制的开伞动载，主伞经过一定的延时收口后完全充气张满，飞机作减速滑行。(4)飘移段：主伞打开后，飞机以稳定的姿态匀速降落。
对定点回收系统而言，期望落点的控制不仅取决于飞行状态的控制，而且取决于发送指令“停车”的时刻，发送“开伞”指令时刻，也受回收地点风速、风向影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机伞降方法，该方法可计算出小型无人飞机在期望地点着陆时的最佳停车、开伞时刻，以及采用的飞行航向，俯仰角要求。
本发明一种无人机伞降方法，步骤为：
S1，选择无人机预定落地点；
S2，划分回收阶段：
  S21，无动力飞行段，“停车”指令至“开伞”指令间隔时间为t1, 此期间飞机无动力水平方向飞行距离R1，垂直方向运动距离H1，
 S22 滑行段，指令“开伞”打开伞舱，弹出引导伞，牵出并张满主伞，致使飞行空速为零，飞机垂直方向运动距离为H2，水平方向运动距离R2；
S23，漂移段，降落伞完全张开至飞机落地，飞机水平方向运动为R3，垂直方向运动距离H3；
S3，从地面控制站可以读出飞机“停车”时相对地面高度H，从上面分析可知，H1 可预先计算，H2=L，H= H1+ H2+ H3,可以计算出H3, t3.根据t3值，R= R1 +R2+ R3,可以计算出R3；
S4，根据测量风速、已知的飞机状态，快速计算出飞机离预定落地点“停车”距离、开伞时刻、方位；
S5，控制无人机进入回收航线；
S6，地面控制站根据计算结果和飞机状态向飞机发出停车、开伞指令。
本发明方法中：
小型无人机起飞后，选择飞机预定落地点在水平有草坪或土地松软的地方，在降落点附近将吊挂风速仪和高度表的气球升空，风速仪分别升至飞机预定停车、开伞高度时，测量风速、风向。
无动力飞行段，“停车”指令至“开伞”指令间隔时间为t1, 此期间飞机无动力水平方向飞行距离R1，垂直方向距离H1，通过测控地面站读出飞机“停车”时的速度V0，通过风速仪测量出风速V风、风向，风向分解出风速在水平x，y、垂直z方向的速度分量；
R1=（V0+V风）t1，在水平方向，R1X==（V0+V风x）t1, R1y==（V0+V风y）t1,可以计算出R1值；
H1=（V0+V风Z）t1，可预先计算出H1值。
滑行段，指令“开伞”打开伞舱，弹出引导伞，牵出并张满主伞，致使飞行空速为零，飞机垂直方向高度损失近似为伞带长度L，水平方向呈非线性减速运动，方向保持不变，根据能量及动量守恒定律，可推得其运动距离R2；
R2=mvA 2/D ，R2x= mvA 2/D，R2Y= mvA 2/D
可以预先计算出R2x，R2Y；
H2=L（伞带长度），
由于飞机在此阶段飞行方向不变，根据R2，推算出R2X，R2y；
其中m为飞机质量，VA飞机速度（由测控地面站读出），根据西北工业大学学报2004年第22卷第4期中论文“基于风场估测的无人机伞降定点回收研究”，D为飞行阻力，由空气密度、飞机型号、降落伞型号确定。
漂移段，降落伞完全张开至飞机落地，飞机水平方向相对空气运动为零，飞机在水平方向相对地面为风的速度，纵向呈匀速降落运动（根据飞机重量，降落伞设计为相应阻力），一般设计速度为5-6m/s,此期间飞机无动力水平方向飞行距离R3，垂直方向距离H3；
R3=V风t3，在水平方向，R3X==V风xt3, R3y==V风yt3,可以计算出R3值，
H3=V3t3。
从地面控制站可以读出飞机“停车”时相对地面高度H，从上面分析可知，H1 可预先计算，H2=L，H= H1+ H2+ H3,可以计算出H3, t3.
根据t3值，R= R1 +R2+ R3,可以计算出R3；
根据测量风速、已知的飞机状态，快速计算出飞机离预定落地点“停车”距离、开伞时刻、方位。
进入回收航线，调整飞行航迹以及航向，使飞机按期望的航线进入回收场地，定航向水平直线飞行，其俯仰角、侧滑角均为0，准备降落。
调整飞行航向，使飞机与x方向（停车时飞机与降落点连线方向）呈2o夹角保持平飞，其俯仰角为0，在高度距离落地点垂直高度H，水平距离R发“停车”指令，在高度H2+H3，发“开伞”指令。
本发明方法不仅能确保无人机伞降后无损伤，而且不需要特别工装设备，仅需要测量风速的测量仪，普通高度表、气球、普通电脑。
通过本发明方法可计算出起飞重量小于100kg的小型无人飞机在期望地点着陆时的最佳停车、开伞时刻，以及飞机采用的航向、俯仰角、侧滑角，避免了一般无人机伞降后都会出现不同程度损伤情况，减少了维修成本，提高无人机的使用效能。
具体实施方式
无人机起飞后，选取预定落地点在水平有草坪的地方，在降落点附近将吊挂风速仪和高度表的气球升空，风速仪分别升至飞机预定停车高度（对地绝对高度140m），测量风速3m/s、风向43o。
飞机进入回收航线，调整飞行航向，定航向水平直线飞行，其俯仰角、侧滑角均为0，准备降落。调整飞行航向，使飞机与x方向（停车时飞机与降落点连线方向）呈2o夹角保持平飞。
（1）无动力飞行段, t1=0.05s， V0=150m/s、方向45 o，V风=3m/s、风向43o
R1X==（VX0+V风x）t1=（150*con45 o +3*con43 o）*0.05=5.4mm；
R1y==（VY0+V风y）t1=（150*sin45 o +3*sin43 o）=5.4mm；
H1=0；。
（2）滑行段m=80kg，vA=150m/s，方向135 o，D=202000
R2=mvA 2/D ，R2x= mvA 2/D=80*（150* con45 o）2/=5m，R2Y= mvA 2/D=5m
H2=L（伞带长度）=25m，
(3)漂移段，飞机降落速度为6m/s，
H3=H-H1-H2=140-25=115m
t3= H3/ V3=115/6=19.2s；
R3X==V风xt3=3*0.669*19.2=38.5m；
R3y==V风yt3=3*0.743*19.2=42.1m。
 R2=RX 2+ RY 2   =（5.4+5+38.5）2+ （5.4+5+42.1）2   ，R2=71.7m
飞机在高度距离落地点垂直高度140m，水平距离71.7m发“停车”指令，在高度125m发“开伞”指令，最后无人机降落在草坪上。飞机经检查，几乎无损伤。

Claims (10)

1.一种无人机伞降方法，步骤为：
S1，选择无人机预定落地点；
S2，划分回收阶段：
S21，无动力飞行段，“停车”指令至“开伞”指令间隔时间为t1, 此期间飞机无动力水平方向飞行距离R1，垂直方向运动距离H1，
S22 滑行段，指令“开伞”打开伞舱，弹出引导伞，牵出并张满主伞，致使飞行空速为零，飞机垂直方向运动距离为H2，水平方向运动距离R2；
S23，漂移段，降落伞完全张开至飞机落地，飞机水平方向运动为R3，垂直方向运动距离H3；
S3，从地面控制站可以读出飞机“停车”时相对地面高度H，从上面分析可知，H1 可预先计算，H2=L，H= H1+ H2+ H3,可以计算出H3, t3.根据t3值，R= R1 +R2+ R3,可以计算出R3；
S4，根据测量风速、已知的飞机状态，快速计算出飞机离预定落地点“停车”距离、开伞时刻、方位；
S5，控制无人机进入回收航线；
S6，地面控制站根据计算结果和飞机状态向飞机发出停车、开伞指令。
2.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，无动力飞行段，水平方向飞行距离R1=（V0+V风）t1，飞机“停车”时的速度V0，“停车”指令至“开伞”指令间隔时间为t1。
3.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，无动力飞行段，垂直方向运动距离H1，H1=（V0+V风Z）t1，可预先计算出H1值。
4.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，滑行段 H2为无人机垂直方向高度损失近似为伞带长度L。
5.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，滑行段 水平方向运动距离R2 ，R2=mvA 2/D ，R2x= mvA 2/D，R2Y= mvA 2/D，其中m为飞机质量，VA飞机速度（由测控地面站读出），D为飞行阻力。
6.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，漂移段，降落伞完全张开至飞机落地，时间为t3，无人机水平方向相对空气运动为零，无人机在水平方向相对地面为风的速度V风，R3=V风t3，在水平方向，R3X==V风xt3, R3y==V风yt3。
7.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，漂移段，降落伞完全张开至无人机落地，时间为t3，纵向呈匀速降落运动，垂直方向运动距离H3=V3t3。
8.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，回收航线状态为 调整飞行航向，使无人机与x方向（停车时飞机与降落点连线方向）呈2o夹角保持平飞。
9.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，无人机其俯仰角为0，在高度距离落地点垂直高度H，水平距离R发“停车”指令。
10.根据权利要求1所述一种无人机伞降方法，其特征在于，在无人机高度H2+H3,发“开伞”指令。
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