CN105867413B - 一种伞降无人机自主回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种伞降无人机自主回收方法，将降落地点、进入角和回收高度发送给无人机；无人机自动规划并执行回收航线；接近回收点时，将发动机停车后的运动划分为滑行段、拉停段、漂移段，飞控程序自动查询当时无人机重量、速度、海拔高度、风场等条件，计算出停车、开伞位置；自主执行停车、开伞指令。本发明使伞降模型能适应从低海拔直至青藏高原5000千米以上的所有海拔高度，降低了对飞行控制精度、时间准确度的要求，提高了回收精度，节省了对测风设备及人员的需求，免除了人员的测风、计算、操纵负担，使无人机操纵变得简单方便。

Description

一种伞降无人机自主回收方法
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及伞降无人机回收方法。
背景技术
伞降无人机具有不需要跑道、回收场地要求低等优点，应用范围越来越广。回收流程通常是先根据周边地形选取回收地点、进入方向，然后根据飞行高度、速度、风速、风向、伞降速度估计出停车位置和开伞位置，进而规划出回收航线，最后控制无人机按航线飞行，并适时发出停车、开伞指令。
其中的航线规划、飞行控制等过程都要求操纵人员有丰富的操控经验，对无人机高度、速度、航迹等状态的控制都要求十分精确，风速、风向的测量及时准确，对停车、开伞指令的发送时机把握精准。即使如此，也很难避免因判断失误、风场扰动等不确定因素导致落点偏差，造成机体受损。
公开号为CN104991565A的专利提出一种自主回收的策略，但内容多局限于对进入条件的判断，如是位置、高度、空速、航迹偏差是否满足预设条件。而对降落准确度影响最大的风场问题，仅作理想化处理。如将停车点到开伞点的过程认为速度、高度不变，将开伞后的下降过程简化为匀速下降。
申请号为CN201010225088.9的专利中，也是将伞降过程简化为匀速下降。
公开号为CN104163244A的专利将回收阶段分为：无动力飞行段、滑行段、漂移段，根据人工测量的风速、风向及已知的无人机状态，快速计算出无人机离预定落点的停车距离、开伞时刻、方位。该方法大大提高了无人机回收安全性，提高了无人机的使用效能。
以上方法都是由地面人员规划出航线，然后向无人机发出指令，时效性差，难以适应随时变化的无人机状态、风场变化等不确定因素；要求精确控制无人机姿态、速度、进入角度，对操纵人员的技能要求很高；采用固定的伞降速度，难以适应不同海拔不同空气密度下的伞降要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自主伞降回收方法，能减少气象保障设备和人员，适应不同海拔高度，彻底解放飞行操纵人员，而且能根据飞行状态、风速、风向，准确的把握停车、开伞时刻。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：将设定的降落点D0(x0,y0)、回收高度H、进入角A与回收指令发送给无人机；
步骤2、从降落点D0(x0,y0)向进入角A的反方向(A+180°)延伸3km，作为降高点D1，无人机绕降高点D1盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向D0(x0,y0)；
步骤3、距离降落点D0(x0,y0)2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度H0、风速vw和风向Aw；
步骤4、将回收阶段划分为滑行段、拉停段和漂移段；
所述滑行段t1是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，滑行段无人机的高度下降dH1＝0，水平前进距离L1＝vt1+vwt1cos(A-Aw)；
所述拉停段t2是从伞舱盖打开到无人机空速降为零的时间段，拉停段无人机的高度下降dH2，前冲距离L2＝L2′+L2″，其中，L2′是无风情况下前冲距离，v0为开伞时真空速，L2″是风对前冲距离的影响，L2″＝vwt2cos(A-Aw)；
所述漂移段t3是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地的时间段，漂移段无人机水平运动方向相对空气运动为零，距离L3＝vwt3；其中，下降时间t3＝(H-dH1-dH2)/VL，下降速度VL由降落时垂直方向的受力mg＝0.5VL 2ρCA决定，g为重力加速度，ρ为空气密度，C为降落伞阻力系数，A为降落伞面积；
步骤5、根据预定降落点D0(x0,y0)反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点D4(x,y)，其中，x＝x0+dx，y＝y0+dy，dx＝L3cos(Aw+180)，dy＝L3sin(Aw+180)；
步骤6、从飞机当前位置，直线飞向D4(x,y)点；在与D4(x,y)点距离为L1+L2的D2点发动机停车，与D4(x,y)点距离为L2的D3点开伞。
所述的进入角A确保无人机逆风进入，且减小与风向的夹角。
本发明的有益效果是：引入不同海拔高度、不同余油重量条件下的伞降速度，采用试验数值双线性差值的方法预估拉停段前冲距离，使伞降模型能适应从低海拔直至青藏高原5000千米以上的所有海拔高度；无人机自主生成并执行回收航线，降低了对飞行控制精度、时间准确度的要求，提高了回收精度；采用空速与地速矢量三角形推算风速、风向的方法，节省了对测风设备及人员的需求。
同时本方法由无人机自主完成，免除了人员的测风、计算、操纵负担，使无人机操纵变得简单方便。
附图说明
图1是本发明的回收航线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明所涉方法步骤如下：人工选择降落地点、进入角和回收高度(停车点距离地面的绝对高度)，发送给无人机；无人机自动规划并执行出回收航线；接近回收点时，将发动机停车后的运动划分为滑行段、拉停段、漂移段，飞控程序自动查询当时无人机重量、速度、海拔高度、风场等条件，计算出停车、开伞位置；自主执行停车、开伞指令。具体包括以下步骤：
步骤1：人工选择降落点D0(x0,y0)、回收高度H、进入角A(一般选择逆风进入，且与风向夹角尽量小，以利于降落伞张开)，随同“回收”指令发送给无人机；
步骤2：无人机收到“回收”指令后，从降落点D0(x0,y0)向进入角A的反方向(A+180°)延伸3km，作为降高点D1，盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向D0(x0,y0)；
步骤3：距离降落点D0(x0,y0)2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度H0、风速vw、风向Aw。其中:
m：由飞机空载重量(含降落伞)与油量之和；
v：由机上空速传感器测得；
vw、Aw：通过地速、空速、风速的矢量三角形计算得出；
H0：无人机起飞点的海拔高度；
步骤4：划分回收阶段；
步骤4.1：滑行段t1，指的是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，此阶段时间为t1＝2秒，因时间很短，可近似认为空速下降dv＝0，高度下降dH1＝0；水平前进距离为L1＝vt1+vwt1cos(A-Aw)。这里进入角A与风向Aw的夹角很小，所以仅考虑风在航线方向的分量。
步骤4.2：拉停段t2，指的是从伞舱盖打开、抛出引导伞、牵出并张满主伞，直到飞机空速降为零的时间段。
此阶段高度下降了dH2，接近伞绳长度；前冲距离L2＝L2′+L2″由两部分组成。
L2′是无风情况下前冲距离，由降落伞厂家给出的空投试验数值使用双线性差值方法得出(其中v0为开伞时真空速)，开伞时的真空速由空速计算得出
L2″是风对前冲距离的影响，L2＝vwt2cos(A-Aw)。由于回收航线都设置为逆风方向，所以垂直于航线方向的分量vwt2sin(A-Aw)很小，可近似为零，所以仅考虑风在航线方向的分量。
步骤4.3：漂移段t3，指的是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地这一时间段。水平运动方向相对空气运动为零，距离L3＝vwt3；其中，下降时间t3＝(H-dH1-dH2)/VL，而下降速度VL由降落时垂直方向的受力情况决定，即mg＝0.5VL 2ρCA。其中：
m：飞机重量；
g：重力加速度9.8；
ρ：空气密度，ρ＝3.701·10-9H0 2-1.162·10-4H0+1.2246；
C：降落伞阻力系数；
A：降落伞面积。
步骤5：根据预定降落点D0(x0,y0)，反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点D4(x,y)。
dx＝L3cos(Aw+180)
dy＝L3sin(Aw+180)
x＝x0+dx，y＝y0+dy
步骤6：从飞机当前位置，直线飞向D4(x,y)点。在距离为L1+L2的D2点自动执行“停车”指令，距离D4(x,y)为L2的D3点自动执行“开伞”指令。

Claims (2)

1.一种伞降无人机自主回收方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：将设定的降落点D0(x0,y0)、回收高度H、进入角A与回收指令发送给无人机；
步骤2、从降落点D0(x0,y0)向进入角A的反方向(A+180°)延伸3km，作为降高点D1，无人机绕降高点D1盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向D0(x0,y0)；
步骤3、距离降落点D0(x0,y0)2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度H0、风速vw和风向Aw；
步骤4、将回收阶段划分为滑行段、拉停段和漂移段；
所述滑行段t1是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，滑行段无人机的高度下降dH1＝0，水平前进距离L1＝vt1+vwt1cos(A-Aw)；
所述拉停段t2是从伞舱盖打开到无人机空速降为零的时间段，拉停段无人机的高度下降dH2，前冲距离L2＝L2′+L2″，其中，L2′是无风情况下前冲距离，v0为开伞时真空速，L2″是风对前冲距离的影响，L2″＝vwt2cos(A-Aw)；
所述漂移段t3是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地的时间段，漂移段无人机水平运动方向相对空气运动为零，距离L3＝vwt3；其中，漂移段t3＝(H-dH1-dH2)/VL，下降速度VL由降落时垂直方向的受力mg＝0.5VL 2ρCA决定，g为重力加速度，ρ为空气密度，C为降落伞阻力系数，A为降落伞面积；
步骤5、根据预定降落点D0(x0,y0)反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点D4(x,y)，其中，x＝x0+dx，y＝y0+dy，dx＝L3cos(Aw+180)，dy＝L3sin(Aw+180)；
步骤6、从飞机当前位置，直线飞向D4(x,y)点；在与D4(x,y)点距离为L1+L2的D2点发动机停车，与D4(x,y)点距离为L2的D3点开伞。
2.根据权利要求1所述的伞降无人机自主回收方法，其特征在于：所述的进入角A确保无人机逆风进入，且减小与风向的夹角。
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