CN109947133A - 一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法，无人机起飞前，向无人机装定预定回收点的纬度、经度坐标以及遥控中断累积时间门限，根据这些确定半径；启动无人机自主返航控制后，计算失控点到预定回收点的方位角和距离，根据方位角和距离计算相交点的位置，根据相交点的位置计算风向，然后根据估计所得的风向确定回收使用的航线。本发明实现无人机在遥控中断后，能够实现自主返航回收，并能根据回收区域风场进行在线重规划，调整回收进入方向，保证回收安全。

Description

一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，更具体地说，是指一种伞降式无人机在遥控中断后自主返航并回收的控制方法。

背景技术

无人机在执行任务过程中，其与地面控制站之间是通过数据链进行数据交换的。由地面控制站发送给无人机的控制信号称为无人机遥控，由无人机发送给地面控制站的状态信号称为无人机遥测，遥控信号和遥测信号在无人机飞行过程中应一直保持通畅。

但由于无人机执行任务的地域地形影响，或数据链信号收到外界干扰，由地面控制站发送的遥控信号容易中断，这将导致无人机失去控制，轻则出现无人机任务失败，无法完成既定任务，重则会出现与空中其他飞行器相撞或坠毁的严重后果，因此在无人机遥控中断后，需要无人机能够自主的按照既定策略进行返航并回收。

伞降回收的无人机，在回收过程中要求逆风方向进行回收，以便无人机的回收降落伞能顺利打开，因此需要地面操纵手在回收阶段根据风场测量值通过遥控指令进行调整。若遥控出现中断，传统的自主返航方法是根据无人机起飞前装订好的返航路线进行飞行，并在指定位置打开降落伞实施回收，这种方式过分依赖无人机起飞前的任务规划，无人机则无法根据回收区的实时风场信息选择逆风方向作为进入角度，这将可能导致无人机开伞失败，造成飞机坠毁的事故，因此需要一种能根据回收场区风向在线调整进入角度的回收方法来确保返航回收的安全性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法，实现无人机在遥控中断后，能够实现自主返航回收，并能根据回收区域风场进行在线重规划，调整回收进入方向，保证回收安全。

技术方案

一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：无人机起飞前，向无人机装定预定回收点P的纬度、经度坐标(B_P,L_P)以及遥控中断累积时间门限T，无人机在P点执行打开降落伞操作进行回收，P点的选择应满足以P点为圆心，以R为半径的圆形空域范围内没有高于回收高度H_t的障碍物，将该圆形空域范围定义为回收区；所述的半径R应不小于4倍的无人机最小转弯半径，根据以下公式确定：

其中，V为巡航速度的平均值、γ_max为无人机转弯时的最大倾斜角，g为重力加速度；

步骤2：无人机在空中飞行过程中，出现遥控中断后开始计时，遥控中断累积时间记为T_d，若T_d≥T时，启动无人机自主返航控制，若计时累积期间出现遥控恢复，则将T_d置为0，当出现遥控再次中断后，重新开始计时；

步骤3：启动无人机自主返航控制后，将该时刻无人机当前纬度、经度(B_O,L_O)记为O点，将O点作为返航航线的起点，将预定回收点P作为返航航线的终点，控制无人机沿虚拟航线OP飞往P点；

步骤4：根据高斯坐标转换公式，将O点坐标与P点坐标转换为平面直角坐标下的位置(X_O,Y_O)和(X_P,Y_P)，计算O点到P点的方位角θ及O点到P点的距离D：

根据方位角θ、距离D和回收空域半径R计算线段OP及其延长线与回收空域的交点A和交点B的直角坐标位置(X_A,Y_A)和(X_B,Y_B)，计算公式如下：

步骤5：当无人机沿OP飞至A点时，将A点设置为航线起点，将B点设置为航线终点，控制无人机沿航线AB飞往B点，并开始回收区域风场估算，设无人机飞行的速度为v，航向角为无人机t时刻位置为(X_t,Y_t)，无人机t+1时刻位置为(X_t+1,Y_t+1)，时间步长为k，则按以下公式计算估计风向Φ_w：

计算A到B的多组风向Φ_w，然后取平均值Φ′_w；

步骤6：当无人机沿AB飞至B点时，根据估计所得的风向Φ′_w确定回收使用的航线CD，由C点指向D点的方位角为Φ′_w，计算C点位置为(X_C,Y_C)和D点位置为(X_D,Y_D)：

将无人机航线起点设置为C点，航线终点设置为D点，控制无人机按逆风方向，由C点飞往D点，当无人机到达指定降落点P点时，打开降落伞，实施回收。

有益效果

本发明提出的一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法，具有以下优点：

1、无人机遥控中断后，沿失控点至预定回收点连线进行返航，可以以最短距离返回预定回收点，缩短无人机不受控时间，降低无人机风险。

2、当无人机返回回收区域后，能够利用卫星定位信息对回收区域的风向进行估计，并根据估计的风向在线重规划回收航线，保证无人机采用逆风方向进入回收航线，提高无人机开伞成功率，降低回收风险。

附图说明

图1传统失控返航回收控制实现示意图

图2本发明失控返航回收控制实现示意图

图3本发明回收控制实现流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：无人机起飞前，向无人机装定预定回收点P的纬度、经度坐标(B_P,L_P)，遥控中断累积时间门限120s，无人机在P点执行打开降落伞操作进行回收，P点满足以P点为圆心，以R＝4km为半径的圆形空域范围内没有高于回收相对高度200m的障碍物，该圆形空域范围定义为回收区。

步骤2：无人机在空中飞行过程中，出现遥控中断后开始计时，遥控中断累积时间记为T_d，若T_d≥120s时，启动无人机自主返航控制，若计时累积期间出现遥控恢复，则将T_d置为0，当出现遥控再次中断后，重新开始计时。

步骤3：启动无人机自主返航控制后，将该时刻无人机当前纬度、经度(B_O,L_O)记为O点，将O点作为返航航线的起点，将预定回收点P作为返航航线的终点，控制无人机沿虚拟航线OP飞往P点，如图2所示。

步骤4：根据高斯坐标转换公式，将O点坐标与P点坐标转换为平面直角坐标下的位置(X_O,Y_O)和(X_P,Y_P)，计算O点到P点的方位角θ及O点到P点的距离D：

θ角度应按照位置关系进行换算，使其符合指向正北方向为0度，顺时针方向为角度增加方向，并且保证0°≤θ＜360°。根据方位角θ、距离D和回收空域半径R计算线段OP及其延长线与回收空域的交点A和交点B的直角坐标位置(X_A,Y_A)和(X_B,Y_B)，如图2所示，计算公式如下：

步骤5：当无人机沿OP飞至A点时，将A点设置为航线起点，将B点设置为航线终点，控制无人机沿航线AB飞往B点，并开始回收区域风场估算，根据传感器测量所得无人机飞行的速度v和航向角无人机t时刻卫星定位位置为(X_t,Y_t)，无人机t+1时刻卫星定位位置为(X_t+1,Y_t+1)，时间步长k为1s，按以下公式计算估计风向Φ_w：

Φ_w角度应按照位置关系进行换算，使其符合指向正北方向为0度，顺时针方向为角度增加方向，并且保证0°≤θ＜360°，计算出的风向为来风方向。

步骤6：当无人机沿AB飞至B点时，根据估计所得的风向Φ_w确定回收使用的航线CD，记C点位置为(X_C,Y_C)，D点位置为(X_D,Y_D)，由C点指向D点的方向为Φ_w角，如图2所示，计算公式如下：

将无人机航线起点设置为C点，航线终点设置为D点，控制无人机按逆风方向，由C点飞往D点，当无人机到达指定降落点P点时，打开降落伞，实施回收。

从而实现无人机自主返航回收的控制。

Claims (1)

1.一种伞降式无人机遥控中断后自主返航回收控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：无人机起飞前，向无人机装定预定回收点P的纬度、经度坐标(B_P,L_P)以及遥控中断累积时间门限T，无人机在P点执行打开降落伞操作进行回收，P点的选择应满足以P点为圆心，以R为半径的圆形空域范围内没有高于回收高度H_t的障碍物，将该圆形空域范围定义为回收区；所述的半径R应不小于4倍的无人机最小转弯半径，根据以下公式确定：

其中，V为巡航速度的平均值、γ_max为无人机转弯时的最大倾斜角，g为重力加速度；

步骤2：无人机在空中飞行过程中，出现遥控中断后开始计时，遥控中断累积时间记为T_d，若T_d≥T时，启动无人机自主返航控制，若计时累积期间出现遥控恢复，则将T_d置为0，当出现遥控再次中断后，重新开始计时；

步骤3：启动无人机自主返航控制后，将该时刻无人机当前纬度、经度(B_O,L_O)记为O点，将O点作为返航航线的起点，将预定回收点P作为返航航线的终点，控制无人机沿虚拟航线OP飞往P点；

步骤4：根据高斯坐标转换公式，将O点坐标与P点坐标转换为平面直角坐标下的位置(X_O,Y_O)和(X_P,Y_P)，计算O点到P点的方位角θ及O点到P点的距离D：

根据方位角θ、距离D和回收空域半径R计算线段OP及其延长线与回收空域的交点A和交点B的直角坐标位置(X_A,Y_A)和(X_B,Y_B)，计算公式如下：

步骤5：当无人机沿OP飞至A点时，将A点设置为航线起点，将B点设置为航线终点，控制无人机沿航线AB飞往B点，并开始回收区域风场估算，设无人机飞行的速度为v，航向角为无人机t时刻位置为(X_t,Y_t)，无人机t+1时刻位置为(X_t+1,Y_t+1)，时间步长为k，则按以下公式计算估计风向Φ_w：

计算A到B的多组风向Φ_w，然后取平均值Φ′_w；

步骤6：当无人机沿AB飞至B点时，根据估计所得的风向Φ′_w确定回收使用的航线CD，由C点指向D点的方位角为Φ′_w，计算C点位置为(X_C,Y_C)和D点位置为(X_D,Y_D)：

将无人机航线起点设置为C点，航线终点设置为D点，控制无人机按逆风方向，由C点飞往D点，当无人机到达指定降落点P点时，打开降落伞，实施回收。