CN106843281A - 一种智能精确空降空投系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能精确空降空投系统，包括空投管理模块、主伞模块、导航与控制模块、货台模块、着陆模块、空降空投监控分发模块，依托空投管理模块的规划和导航与控制模块的导引，以分段归航为技术路线，在先进飞控系统的控制下，驱动伺服机构对主伞模块进行操控，实现全程自主循迹飞行，自主测风，自主雀降，在货台模块的缓冲和保护下安全着陆，着陆后空降空投监控分发模块自动监测货物到达的位置，货物的种类以及领取人等。本发明的智能精确空降空投系统可实现高高度投放、远距离、精确着陆，有效实现无地面引导、无地面操控、无气象资料条件下的空降空投，拓展了传统空投系统投送能力，实现了投送精度、投送距离、投送方式的大幅度提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能精确空降空投系统，适用于将货物或人员等精确地投送到指定位置和地点工程应用技术研究和实现。
背景技术
传统空投采用弹道式圆形伞系统，一旦从空投平台投放后，无法再进行操纵。其按投放时的高度分为高空空投和低空空投两种。前者由于受到外界环境(风力、风向、能见度等)的影响无法保证空投精度，空投物资的落地点散布较大；后者不能实现逆风着陆下的雀降，导致着陆速度过大，易导致货物损毁。此外，传统空投系统在“三无”(无地面引导、无地面操控、无气象资料)条件下的使用效能不高，不能保证救援人员和救灾物资及时送到灾区，导致损失进一步加剧。
传统空投的缺点主要包括：(1)缺少任务管理系统，在恶劣环境下的着陆精度得不到保障。(2)缺少全程自主飞行功能。(3)缺少自主雀降的功能，自主飞行的着陆安全得不到保障。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种智能精确空降空投系统，依托空投管理模块的规划确定任务剖面，采取分段归航的方式，在导航飞控模块的控制下，驱动伺服机构对翼伞(气动减速系统)进行操控，实现全程自主循迹飞行，自主测风，自主雀降，逆风着陆，在货台模块的缓冲和保护下安全着陆。
本发明的技术解决方案是：一种智能精确空降空投系统，包括空投管理模块、主伞模块、导航与控制模块、货台模块、着陆模块、空降空投监控分发模块；
空投管理模块包括大气信息单元、任务规划单元；大气信息单元释放探空仪，探测区间场，获取空投区域的气象信息，包括大气密度、温度、湿度、层风；任务规划单元利用预先的任务信息和大气信息单元获取的气象信息，采用沃罗诺伊图最短路径搜索方法规划出航迹点；
空降空投监控分发模块包括空降空投监控单元和任务与分发单元；任务与分发单元根据空投管理模块规划出的航迹点，在地面采用无线传输将航迹点信息传递给导航控制模块；任务与分发单元记录货物信息、着陆后货物位置及货物被领取信息；空降空投监控单元记录飞行过程中导航控制模块发送的位置姿态信息、速度；
主伞模块通过伞绳连接导航控制模块、货台模块、着陆模块，当到达指定位置时，主伞模块脱离运输机，携带货物，根据空投管理模块规划出的航迹点循迹飞行；
导航控制模块包括导航单元、控制单元；导航单元获得位置姿态信息，控制单元根据导航单元发送的位置姿态信息，对主伞模块的航迹进行控制；航迹控制分为三段，包括向心段、盘旋段、着陆段；
向心段指主伞模块投放点位置到进入点位置，主伞模块做滑翔运动；控制单元控制主伞模块位置在规划航迹线的控制线范围内，主伞模块位置到规划航迹线距离为d，d≤h，其中，h为控制线到规划航迹线的距离；控制单元控制主伞模块速度方向在理想速度方向的控制角度范围内，主伞模块速度方向与理想速度方向的夹角小于控制角度δ；进入点在目标点上空；
向心段结束后，如果主伞模块高度H≤H1，则主伞模块进入着陆段；如果主伞模块高度H>H1，则主伞模块进入盘旋段；其中，H1为雀降高度；
盘旋段指进入点位置到离开点位置，控制单元控制主伞模块位置在内控制圆和外控制圆范围内，R1<r<R2，r为主伞模块位置到目标点的距离，R1为内控制圆半径，R2为外控制圆半径；控制单元控制主伞模块速度方向在控制角δ1和控制角δ2范围内，-δ1<θ<δ2，θ为主伞模块速度方向与理想速度方向的夹角；
当系统距离地面高度低于200米时，主伞模块进入着陆段；控制系统操纵翼伞在逆风的角度转向目标点，当达到雀降高度H1时，导航控制模块发出控制指令操纵主伞模块实现雀降；
着陆模块包括回收伞单元、着陆脱离单元；回收伞单元用于降低着陆速度；着陆脱离单元用于将主伞模块与导航控制模块脱离。
所述的沃罗诺伊图最短路径搜索方法，包括如下步骤：
I、搜索起点A的相邻节点vi，判断节点vi到起点A的路径是否最短：若节点vi到起点A的路径最短，则将节点vi及其路径存入集合S；否则，继续搜索；i为正整数；
II、判断S中是否包含目标点B：若包含，则结束搜索，将包含B点的路径作为最短路径；若不包含，则进入步骤III；
III、搜索起点A及集合S内节点的相邻点节点vj，要求节点vj不在集合S中，判断节点vj到起点A的路径是否最短：若节点vj到起点A的路径最短，则将节点vj及其路径存入集合S；否则，继续搜索；j为正整数；
IV、重复步骤II、步骤III，直至集合S中包含目标点B，得到从起点A出发到目标点B的最短路径。
所述控制线到规划航迹线的距离h的范围为100m～200m。
所述控制角δ的范围为0～5°。
所述主伞模块位置到目标点的距离r的范围为200m～400m。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明克服了一旦从空投平台投放后，无法再进行操纵，以及传统空投易受外界环境(风力、风向、能见度等)的影响无法保证空投精度，空投物资的落地点散布较大的缺点。本发明中的精确空投系统能突破“三无”(无地面引导、无地面操控、无气象资料)条件的限制，真正实现自动化、智能化空投。
(2)本发明中的精确空投系统能有效提高装备物资的空投精度，减小空投物资的散布面积，抗干扰能力强。
(3)本发明中的精确空投系统具备事先/空中实时任务规划能力，可以自由灵活的改变投送任务。
(4)本发明中的精确空投系统具备全程自主循迹飞行能力，可实现自主测风，自主雀降，逆风着陆。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为本发明的系统组成图；
图3为本发明的分段归航示意图；
图4为本发明的控制系统流程图；
图5为基于沃罗诺伊图的最短路径图；
图6为基于沃罗诺伊图的最短路径搜索算法流程图；
图7为向心段的位置控制图；
图8为向心段的速度控制图；
图9为盘旋段的位置控制图；
图10为盘旋段的速度控制图。
具体实施方式
一种智能精确空降空投系统，包括空投管理模块、主伞模块、导航与控制模块、货台模块、着陆模块、空降空投监控分发模块，如图1所示。
如图2所示，空投管理模块包括大气信息单元、任务规划单元；空投管理模块在空投前完成大气信息探测与空投航迹点规划。
大气信息单元释放探空仪，探测区间场，获取空投区域的大气密度、温度、湿度、层风等气象信息；任务规划单元利用预先的任务信息和大气信息单元获取的气象信息，规划出若干航迹点；
航迹规划算法采用沃罗诺伊图最短路径搜索算法，这种算法是一种基于栅格的威胁回避算法。栅格法的基本思路是将工作间划分为若干个栅格，各个栅格均含二值信息且规则而均匀。其中二值信息是指该格处是否存在障碍，将存在障碍的栅格称为障碍栅格，将不存在障碍的栅格称为自栅格。栅格模型建立毕后，则开始寻找一条最短路径。
沃罗诺伊图是由一组连接相邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上由区别的点，按照最临近原则划分平面；每个点和它的最临近区域相关联。
沃罗诺伊图最短路径搜索算法将平面上的n个点中相邻点连接成三角形，称n个点为母点，在三角形三条线中间画垂直平分线，各垂直平分线便围成一个多边形，该多边形称之为沃罗诺伊多边形，n个母点的沃罗诺伊多边形构成沃罗伊图。在翼伞的飞行区域会存在多个障碍，在这个区域上，如果把每个障碍的中心当作一个点，那么就可以建立起相应的沃罗诺伊图，翼伞的航迹规划就在沃罗诺伊图上来进行，这样就将无限空间的搜索简化到有限空间上来。
如图5所示，A点为翼伞飞行的起始点，B点为飞行的目标点，在A、B间的飞行区域内存在多个障碍点，则航迹规划的步骤为：将每个障碍中心当作一个点，根据算法生成沃罗诺伊图，图5中的各条实线即为生成的沃罗诺伊图，代表多条可行的航迹；最后使用最短路径搜索算法进行最短路径搜索，图5中粗实线代表搜索得到的最优航迹。
最短路径搜索算法的步骤为：
I、搜索起点A的相邻节点vi，判断节点vi到起点A的路径是否最短：若节点vi到起点A的路径最短，则将节点vi及其路径存入集合S；否则，继续搜索；i为正整数；
II、判断S中是否包含目标点B：若包含，则结束搜索，将包含B点的路径作为最短路径；若不包含，则进入步骤III；
III、搜索起点A及集合S内节点的相邻点节点vj，要求节点vj不在集合S中，判断节点vj到起点A的路径是否最短：若节点vj到起点A的路径最短，则将节点vj及其路径存入集合S；否则，继续搜索；j为正整数；
IV、重复步骤II、步骤III，直至集合S中包含目标点B，得到从起点A出发到目标点B的最短路径。
根据最短路径搜索算法直接得到的路径是由一系列线段首尾相连而成的，这样的线段并不满足翼伞的飞行条件，需要综合考虑飞机的飞行状态、载荷重量、投放方式、载荷在飞机上的位置、缓冲装置类型、货物投放的高度、翼伞类型等，对其进行进一步的优化和平滑。
空降空投监控分发模块包括空降空投监控单元和任务与分发单元；
空降空投监控分发模块中的任务与分发单元根据空投管理模块规划出的航迹点，在地面采用无线传输将任务信息传递给每一个空投单元(空投系统和空投货物合称空投单元)，空投单元接收到任务信息后回传所收到的信息，核对两者的一致性，任务信息正确点亮状态灯，如不正确，则重新注入。空投出仓前，由安装在飞机上的装置再一次检查任务信息的正确性，并在空投单元装入运输机货仓前进行货物内容种类登记。在飞行过程中，导航控制模块将飞行过程中的系统的各种参数包括姿态位置，各种控制量以及系统速度、电机参数等回传给空降空投监控模块，用于实时监控、人工干预和数据存储。
主伞模块包括翼伞、稳定伞单元；稳定伞单元保证系统顺利出舱，并稳定系统在空中的姿态，降低系统速度，为翼伞开伞创造有利条件。翼伞具有滑翔特性和可操控性，实现空投系统的循迹飞行。稳定伞单元包括引导伞和稳定伞。运输机开始投送前，导航控制模块上电，准备投放，采用重力空投等方式将放在侧导轨上的空投系统送出飞机舱门，翼伞单元自动拉开开伞拉绳并强制打开引导伞封包片，引导伞充气张满，此时稳定伞连接带被拉直，稳定伞伞包被打开，拉出稳定伞，然后稳定伞充气、张满，对空投系统实施稳定减速。系统实施减速5秒后，稳定伞脱离机构工作，稳定伞提起、打开翼伞包，拉出翼伞，翼伞充气、张满，进入稳定滑翔状态。此时电机在导航控制模块指令下开始动作，导航控制模块根据任务信息里的航迹点信息，对翼伞进行操纵，按预定航迹点循迹飞行。
导航控制模块根据系统的位置、姿态信息对系统进行控制，根据分段归航的技术路线，如图3、图4所示。
翼伞一般采取三种运动方式：
1、无下偏操纵时的自由滑翔运动
2、单侧后缘下偏时的转弯运动
3、双侧后缘下偏时的减速或雀降运动
向心段是指从翼伞完全展开到进去点位置，如图3所示。系统主要做滑翔运动；盘旋段是进入点与离开点之间绕圆柱的弧线，此段主要实施的是转弯控制；而着陆段是从启动着陆系统到着陆的一段。
首先进行向心段的飞行控制，首先由目标点位置和地面风速确定盘旋中心的位置，在求得盘旋中心点的位置之后，判断翼伞单元由所处位置能否飞至盘旋中心。若可以到达盘旋中心点，则飞向盘旋中心点并进入该点的邻域内(盘旋中心点的邻域为一个圆周，圆周半径预设400米)。否则，直接飞向目标点并在系统降至某一高度时进入逆风着陆飞行状态。向心段包括从第一个航迹点直至倒数第二个航迹点。向心段主要考虑的是轨迹追踪，所以向心段的位置控制主要体现在系统当前位置与预定轨迹的距离控制上。
(1)向心段位置控制
接近目标阶段位置控制主要考虑的是轨迹追踪，目标接近段的位置控制主要体现在系统当前位置与预定轨迹的距离控制上，如图6所示。图中，S表示系统当前所在的位置，系统距离规划轨道线的距离为d，设定控制距离为h(控制线距离规划轨道线的距离)，则当系统位于距离规划轨道线小于h的第Ⅰ区域(此区域中，d<h)时，位置偏差在系统允许范围内，对系统不施加控制；当系统位于第Ⅱ区域和第Ⅲ区域(在这2个区域中，d>h)时，则分别控制系统向右转和向左转。
(2)向心段速度控制
当系统位于向心段时，由于翼伞系统到目标点的水平距离较远，故规划方向左右两侧的控制角可以取相同值δ，如图7所示。图中，S点表示系统所处位置，E点表示进入点位置，当系统速度矢量V处于第Ⅰ区(-δ<θ<δ)时，无需操纵；当系统处于第Ⅱ区(δ<θ<180°)时，方向控制为右转；当处于第Ⅲ区(-180°<θ<-δ)时，方向控制为左转。其中，δ表示预先设定的方向控制角；θ表示系统水平速度矢量与轨道水平方位SE间的夹角，逆时针时方向θ取正值，顺时针方向取负值，θ取值范围为(-180°，180°)。
向心段结束后，此时系统处于倒数第二个航迹点(一般距离着陆点500米左右)，系统到达至预定地域的上空，进入盘旋段。然后根据系统所在高度判断系统所处位置能否进行转弯飞行。设系统进入盘旋中心点的邻域时的高度为H，判断H-H1>ε是否成立(ε为一极小值、H1为雀降高度)，若成立，则认为系统需要进行转弯飞行，直至系统高度降至H1时进入逆风着陆飞行状态。否则不能做转弯飞行，而是直接进入逆风着陆飞行状态。
(3)盘旋段位置控制
盘旋段的位置控制如图8所示，S表示系统位置，系统到目标点的水平距离为r。在规划轨迹附近设置内控制圆和外控制圆，其半径分别为R1和R2。当系统位于这2个控制圆之间(R1<r<R2)，即第Ⅰ区时，认为系统的偏差在允许的范围内，保持系统的飞行状态，不进行系统的方向控制；当系统位于第Ⅱ区(r<R1)时，翼伞系统方向控制为右转；当系统位于第Ⅲ区(r>R2)时，翼伞系统方向控制为左转。
(4)盘旋段的速度方向控制
盘旋段的方向控制如图9所示，S表示系统位置，S表示规划速度方向，系统水平速度方向与规划速度方向夹角(从规划速度方向指向系统速度方向)为θ。其中，逆时针时方向θ取正值，顺时针方向θ取负值，θ取值范围为(-180°，180°)。如图10所示，设定控制角为δ1和δ2，当系统速度矢量V处于第Ⅰ区(-δ1<θ<δ2)时，保持翼伞系统的飞行状态；当系统处于第Ⅱ区(δ2<θ<180°)时，系统的方向控制为左转；当处于第Ⅲ区(-180°<θ<-δ1)时，系统的方向控制为右转。
在盘旋段，系统开始按预定半径盘旋，逐渐使系统下降至预定高度并实时监测风向，当系统距离地面高度低于200米时，控制系统操纵翼伞在逆风的角度转向目标点，当达到雀降高度H1时，导航控制模块发出指令操纵结构将翼伞双侧伞绳拉满，实现雀降，系统稳降着陆，着陆瞬间物、伞分离，缓冲装置保证装备的安全着陆。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种智能精确空降空投系统，其特征在于：包括空投管理模块、主伞模块、导航与控制模块、货台模块、着陆模块、空降空投监控分发模块；
空投管理模块包括大气信息单元、任务规划单元；大气信息单元释放探空仪，探测区间场，获取空投区域的气象信息，包括大气密度、温度、湿度、层风；任务规划单元利用预先的任务信息和大气信息单元获取的气象信息，采用沃罗诺伊图最短路径搜索方法规划出航迹点；
空降空投监控分发模块包括空降空投监控单元和任务与分发单元；任务与分发单元根据空投管理模块规划出的航迹点，在地面采用无线传输将航迹点信息传递给导航控制模块；任务与分发单元记录货物信息、着陆后货物位置及货物被领取信息；空降空投监控单元记录飞行过程中导航控制模块发送的位置姿态信息、速度；
主伞模块通过伞绳连接导航控制模块、货台模块、着陆模块，当到达指定位置时，主伞模块脱离运输机，携带货物，根据空投管理模块规划出的航迹点循迹飞行；
导航控制模块包括导航单元、控制单元；导航单元获得位置姿态信息，控制单元根据导航单元发送的位置姿态信息，对主伞模块的航迹进行控制；航迹控制分为三段，包括向心段、盘旋段、着陆段；
向心段指主伞模块投放点位置到进入点位置，主伞模块做滑翔运动；控制单元控制主伞模块位置在规划航迹线的控制线范围内，主伞模块位置到规划航迹线距离为d，d≤h，其中，h为控制线到规划航迹线的距离；控制单元控制主伞模块速度方向在理想速度方向的控制角度范围内，主伞模块速度方向与理想速度方向的夹角小于控制角度δ；进入点在目标点上空；
向心段结束后，如果主伞模块高度H≤H1，则主伞模块进入着陆段；如果主伞模块高度H>H1，则主伞模块进入盘旋段；其中，H1为雀降高度；
盘旋段指进入点位置到离开点位置，控制单元控制主伞模块位置在内控制圆和外控制圆范围内，R1<r<R2，r为主伞模块位置到目标点的距离，R1为内控制圆半径，R2为外控制圆半径；控制单元控制主伞模块速度方向在控制角δ1和控制角δ2范围内，-δ1<θ<δ2，θ为主伞模块速度方向与理想速度方向的夹角；
当系统距离地面高度低于200米时，主伞模块进入着陆段；控制系统操纵翼伞在逆风的角度转向目标点，当达到雀降高度H1时，导航控制模块发出控制指令操纵主伞模块实现雀降；
着陆模块包括回收伞单元、着陆脱离单元；回收伞单元用于降低着陆速度；着陆脱离单元用于将主伞模块与导航控制模块脱离。
2.根据权利要求1所述的一种智能精确空降空投系统，其特征在于：所述的沃罗诺伊图最短路径搜索方法，包括如下步骤：
I、搜索起点A的相邻节点vi，判断节点vi到起点A的路径是否最短：若节点vi到起点A的路径最短，则将节点vi及其路径存入集合S；否则，继续搜索；i为正整数；
II、判断S中是否包含目标点B：若包含，则结束搜索，将包含B点的路径作为最短路径；若不包含，则进入步骤III；
III、搜索起点A及集合S内节点的相邻点节点vj，要求节点vj不在集合S中，判断节点vj到起点A的路径是否最短：若节点vj到起点A的路径最短，则将节点vj及其路径存入集合S；否则，继续搜索；j为正整数；
IV、重复步骤II、步骤III，直至集合S中包含目标点B，得到从起点A出发到目标点B的最短路径。
3.根据权利要求1或2所述的一种智能精确空降空投系统，其特征在于：所述控制线到规划航迹线的距离h的范围为100m～200m。
4.根据权利要求3所述的一种智能精确空降空投系统，其特征在于：所述控制角δ的范围为0～5°。
5.根据权利要求4所述的一种智能精确空降空投系统，其特征在于：所述主伞模块位置到目标点的距离r的范围为200m～400m。
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