CN110329532A - 一种超声速无人机回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种超声速无人机回收方法，该方法包括通过在无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备；无人机完成任务之后或者出现故障后，启动自主回收控制模块控制无人机完成回收进入段、爬升进入段、开伞回收段，完成无人机的主动回收。本发明能够实现超声速无人机的回收，对于无人机降低成本、提升性能、实现设备回收和数据采集有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声速无人机回收方法，属于超声速无人机回收技术领域。
背景技术
采用回收系统可以显著降低无人机成本，采用火箭助推零长发射、回收伞和减震气囊回收方式因其结构相对简单、对场地要求低且做到无损回收，广泛为现有无人机采用；但对于超声速无人机的回收十分困难，主要原因有：（1）其较高的飞行速度和较宽的飞行包线，低速性能一般较差，开伞条件较为恶劣；（2）机体一般较为细长，装载能力较低，对伞舱体积要求也较高。
国内目前尚无针对超声速无人机的有效回收方案，国外也仅有BQM-34F和火弩靶弹采用降落伞回收，其回收方案采用多级减速伞，不仅增加结构重量，而且需要无人机低速性能优良，相当于降低其超声速飞行性能。
因此，针对超声速无人机的回收，在充分保障无人机超声速性能的基础上，需要采用特定方法实现。
发明内容
本发明提出的是一种超声速无人机回收方法，其目的旨在实现对超声速无人机的自主控制回收。
本发明的技术解决方案：一种超声速无人机回收方法，该方法包括通过在无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备；无人机完成任务之后或者出现故障后，启动自主回收控制模块控制无人机完成回收进入段、爬升进入段、开伞回收段，完成无人机的主动回收。
本发明的优点：
本发明能够实现超声速无人机的回收，对于无人机降低成本、提升性能、实现设备回收和数据采集有重要意义；采用本发明技术实现无人机回收，可以实现无人机大部分结构的重复使用，显著降低成本；同时，采用回收技术，有利于外场试飞时单架飞机的最大化利用率，提高无人机性能；最后，采用回收技术，可以回收无人机搭载的任务设备，并对设备内部存储数据进行进一步采集。
附图说明
附图1是回收过程原理图本发明的典型飞行任务示意图。
附图2是典型飞行包线示意图。
附图3是典型回收进入段飞过的距离与高度变化示意图。
附图4是典型回收进入速度随时间变化示意图。
附图5 是典型爬升进入段的速度随时间变化示意图。
附图6是典型爬升进入段的高度与距离变化示意图。
附图7 是典型开伞后风场干扰下落点偏差示意图。
具体实施方式
一种超声速无人机回收方法，该方法包括通过在无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备；无人机完成任务之后或者出现故障后，启动自主回收控制模块控制无人机完成回收进入段（图2中A-B段）、爬升进入段（图2中B-C段）、开伞回收段（图2中C-D段），完成无人机的主动回收。
所述无人机为超声速无人机。
所述回收设备包括回收伞和减震气囊；所述自主回收控制模块硬件平台由STM32F4XX系列ARM组成，控制程序为自主编写，具备信号接收、信号处理、指令发出等功能；自主回收控制模块与回收设备之间通过信号电缆相连；回收命令由自主回收控制模块发出，通过信号电缆传递至回收设备，回收设备机构接收信号实现开伞、打开气囊等任务。
所述的自主回收控制模块硬件为通用的STM32F4XX系列ARM平台，但模块的软件程序为自主设计。
所述无人机携带自主集成的航电平台和飞行控制设备；航电平台的硬件平台为STM32F4XX系列ARM，包含飞控模块、舵控模块、GNSS/MEMS导航板等；飞行控制设备包括伺服舵机系统；无人机利用飞控模块处理GNSS/MEMS导航板中的MEMS模块采集的数据，并通过舵控模块实现指令输出到飞行控制设备，从而实现无人机的操控。
所述航电平台自主集成有传感器、惯导、飞控；该航电平台的硬件为通用的STM32F4XX系列ARM平台，但每个模块的软件程序均为自主设计。
所述回收进入段包括进入条件的确定，进入条件的确定具体包括如下：当无人机完成任务之后或者出现故障后，需要利用无人机所搭载的集成化航电平台确定此时无人机的飞行状态和姿态，通过飞控模块处理后将指令输出到飞行控制设备进行减速、降高并调整飞行姿态，使无人机满足爬升进入段的进入条件。
所述进入条件的确定具体包括如下：
当无人机完成任务之后或者出现故障后，需要利用无人机所搭载的集成化航电平台确定此时无人机的飞行状态和姿态，超声速无人机飞行速度较大，飞行马赫数一般在1.2以上，飞行高度较高，一般在12000m以上，需要通过无人机搭载的航电平台和飞行控制设备进行减速、降高并调整飞行姿态，使无人机满足爬升进入段的进入条件，以便于实现回收。
所述进入条件的确定方法如下：根据无人机接收回收控制命令时的飞行高度（图2中A点高度）和开伞时无人机飞行高度（图2中C点高度）共同确定满足进入条件的高度（图2中B点高度）要求；开伞时无人机飞行高度也就是开伞高度（图2中C点高度）需要根据降落伞的性能决定；同时，满足进入条件的高度（图2中B点高度）还需要考虑当时的地形等条件，保证飞行的安全；根据无人机进入条件高度下的失速速度（图2中B点失速速度）、回收进入段初速度（图2中A点速度）和开伞时无人机飞行速度（图2中C点速度）共同确定进入条件速度左边界；根据无人机回收进入段初速度（图2中A点速度）、开伞时无人机飞行速度（图2中C点速度）、爬升进入段爬升高度（图2中C点速高度）、爬升水平距离确（图2中B点到C点水平方向距离）定速度右边界；无人机飞行姿态需结合飞行控制满足回收进入段、爬升进入段和开伞状态姿态要求，即要求无人机在回收过程中攻角应不超过失速攻角（通常小于15°），且无人机开伞时的滚转和俯仰角变化应控制在一定范围内（通常小于15°）；通过无人机搭载的集成化航电平台实时测量无人机姿态，传输到飞控模块处理并输出命令到飞行控制设备实现无人机姿态的调整。
所述爬升进入段爬升高度指从满足进入条件进入爬升进入段后到开伞回收时这段时间无人机的爬升高度（图2中B点到C点的高度差）。
所述进入条件速度左边界指无人机满足进入条件时速度所达到的最小值；无人机在满足进入条件飞行的前提是在该高度上（图2中B点高度）无人机飞行速度大于失速速度，即保证飞行不失速；同时，无人机采用定攻角爬升策略，无人机在自身重力、空气动力共同作用下实现爬升、减速过程；考虑到无人机攻角要求需要小于失速攻角（通常小于15°），且根据动学分析，在开伞速度确定的情况下，爬升攻角越大，则初始爬升的速度越小，最大的爬升攻角对应最小的进入条件速度；此外，无人机采用定俯仰角俯冲策略实现完成回收进入段（图2中A至B段），无人机在重力和空气动力共同作用下完成俯冲，根据动学分析，不同的俯冲策略也对应着最小的俯冲末速度，即回收进入段初速度（图2中A点速度）越小，则进入条件速度（图2中B点速度）越小；综合上述三个最小速度，其最大值即为进入条件的最小速度值，即可确定进入条件速度左边界。
所述进入条件速度右边界指无人机满足进入条件时速度所达到的最大值；同上文，无人机在重力和空气动力共同作用下完成俯冲，根据动学分析，不同的俯冲策略也对应着最大的俯冲末速度，即回收进入段初速度（图2中A点速度）越大，则进入条件速度（图2中B点速度）越大；此外，无人机采用定攻角爬升策略，无人机在自身重力、空气动力共同作用下实现爬升、减速过程；且根据动学分析，在开伞速度确定的情况下，爬升攻角越小，则初始爬升的速度越大，但该情况会造成爬升进入段爬升高度（图2中C点速高度）和爬升水平距离（图2中B点到C点水平方向距离）过大，较大的爬升高度和爬升水平距离带来回收的困难，因此需要根据爬升进入段爬升高度（图2中C点速高度）和爬升水平距离（图2中B点到C点水平方向距离）对爬升策略进行约束，从而确定初始爬升速度的最大值，综合上述两个最大速度，其最小值即为进入条件的最大速度值，即可确定进入条件速度右边界。
满足进入条件后按照规划轨迹爬升，利用无人机自身重力和飞行气动力达成满足理想开伞条件的飞行速度，通过集成化航电平台系统和飞行控制设备进行姿态调整，达成开伞条件后给出开伞控制信号。
无人机回收进入段的飞行控制方法如下：
设定无人机俯仰角为恒定值，利用无人机搭载的航电平台和飞行控制设备进行减速、降高，完成回收进入段。
无人机爬升进入段的飞行控制方法如下：
设定无人机攻角为恒定值，利用无人机搭载的航电平台和飞行控制设备进行减速、爬升。
所述无人机姿态的调整控制方法如下：
通过无人机搭载的集成化航电平台实时测量无人机姿态，传输到飞控模块处理并输出命令到飞行控制设备实现无人机姿态的调整；无人机飞行姿态在整个回收过程中攻角应不超过失速攻角（通常小于15°），且无人机开伞时的滚转和俯仰角变化应控制在一定范围内（通常小于15°）。
自主回收控制模块收到开伞信号后控制回收设备打开伞舱盖并弹出回收伞，无人机在风场扰动干扰下降落；而后根据集成化航电平台测算飞行状态和姿态，实时预估无人机最终着陆点范围，完成无人机的回收；由于开伞位置及开伞前无人机的速度、高度、姿态等都是可控的，风场扰动是影响回收落点精度的重要因素，无人机开伞后风场干扰下着陆点计算方法如下：
建立准确“机—伞”系统模型，即将无人机与打开的降落伞作为整机系统，利用无人机搭载的集成化航电平台实时测量无人机所处的风场风度的方向和大小，采用空气动力学理论估算方法确定不同风速下“机—伞”系统受到的风场作用力，采用动力学方法积分得到该系统在风场作用力、无人机重力和降落伞作用力的共同作用下的实时轨迹，获得无人机从开伞后到降落点的水平方向距离，实现精确回收。
本发明具体包括回收进入段、爬升进入段、开伞回收段。
所述回收进入段：在任务段结束后或出现故障时自主启动回收控制模块，首先确定该状态下的无人机回收进入条件，超声速无人机飞行速度较大、飞行高度较高，需要减速、降高并调整姿态，方能满足进入条件。
所述爬升进入段：超声速无人机低速性能较差，失速速度较大，采用常规方法开伞导致伞舱面积过大，满足进入条件后爬升减速并调节姿态，利用自身重力和飞行气动力达成理想开伞条件，给出开伞控制信号。
所述开伞回收段：打开回收伞，无人机在风场扰动干扰下降落，实时监测无人机姿态和环境状态，考虑飞行状态、无人机姿态和环境状态给出着地点范围，地面试验人员前往实现无人机设备和数据回收。
本发明进入条件、开伞条件的确定需要结合无人机实时飞行状态和姿态以及着地要求确定。
本发明通过对飞行状态的测定和回收路径的规划，确保无人机的飞行速度、高度和飞行姿态同时满足开伞条件的要求；通过对着地点的计算，最终完成回收过程。
本发明通过在无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备；利用无人机所搭载的集成化航电平台系统确定回收过程启动时的飞行状态和姿态，通过无人机搭载的飞行控制设备进行减速、降高并调整姿态，满足进入条件；通过无人机搭载的集成化航电平台系统和飞行控制设备进行爬升减速、姿态调整，达成开伞条件后给出开伞控制信号；自主回收控制模块收到开伞信号后控制回收设备打开伞舱盖并弹出回收伞，无人机在风场扰动干扰下降落，而后利用集成化航电平台测算无人机飞行状态和环境状态，基于动力学积分实时预估无人机轨迹，得到最终着陆点范围，完成无人机的回收。
实施例1
如图1、2所示，本发明的超声速无人机自主回收控制方法，通过在某型超声速无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备（回收伞和减震气囊），在完成任务之后或者出现故障后启动自主回收控制模块，控制超声速无人机完成回收进入段、爬升进入段和开伞回收段，完成超声速无人机的主动回收。
具体如下：
（1）利用无人机所携带集成化航电平台确定回收过程启动时的飞行状态和姿态，自主回收控制模块计算出回收进入条件并规划回收进入段航线，通过无人机搭载的惯性导航系统和飞行控制设备进行减速、降高并调整姿态，满足进入条件；
（2）无人机的飞行速度、姿态等满足进入条件后自主回收控制模块块规划出爬升进入段航线；通过无人机搭载的惯性导航系统和飞行控制设备进行爬升减速、姿态调整，达成开伞条件后给出开伞控制信号；
（3）自主回收控制模块收到开伞信号后控制打开伞舱盖并弹出回收伞，无人机在风场扰动干扰下降落，而后根据集成化航电平台测算飞行状态和姿态，实时预估无人机最终着陆点范围，完成无人机的回收。
实施例2
某无人机在完成飞行任务后距发射点60km,海拔高度为12000m,速度为1.8Ma，此时关闭发动机，进入回收进入段，具体控制策略为设定俯仰角为-10°，一直俯冲到海拔高度为500米，如图3、4所示：在此控制策略下，无人机飞过的距离为55km，速度下降到300m/s左右；此时，执行爬升进入控制策略，设定攻角为10°（如无攻角传感器，可以利用过载数据换算），仿真结果显示，经过25S后无人机速度可降到60m/s以下，高度爬升到2500m满足开伞条件；具体见图5、6；开伞后无人机迅速减速到匀速，而后在风场的作用下移动，假设此时的风场速度为6m/s，且风速与无人机速度相同，来模拟相对恶劣的情况，无人机从高空2500m降落先减速后匀速，水平落点偏差逐渐减小，最后落点距无风时偏差820m，此时无人机在风场干扰下落点较开伞点偏差示意图见图7。
Claims (10)
1.一种超声速无人机回收方法，其特征是该方法包括通过在无人机内部增加自主回收控制模块和回收设备；无人机完成任务之后或者出现故障后，启动自主回收控制模块控制无人机完成回收进入段、爬升进入段、开伞回收段，完成无人机的主动回收。
2.根据权利要求1所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述回收设备包括回收伞和减震气囊；所述自主回收控制模块硬件平台由STM32F4XX系列ARM组成，控制程序为自主编写，具备信号接收、信号处理、指令发出功能；自主回收控制模块与回收设备之间通过信号电缆相连；回收命令由自主回收控制模块发出，通过信号电缆传递至回收设备，回收设备机构接收信号实现开伞、打开气囊任务。
3.根据权利要求1所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述无人机携带自主集成的航电平台和飞行控制设备；航电平台的硬件平台为STM32F4XX系列ARM，包含飞控模块、舵控模块、GNSS/MEMS导航板；飞行控制设备主要由伺服舵机系统组成；无人机利用飞控模块处理GNSS/MEMS导航板中的MEMS模块采集的数据，并通过舵控模块实现指令输出到飞行控制设备，从而实现无人机的操控。
4.根据权利要求3所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述回收进入段包括进入条件的确定，进入条件的确定具体包括如下：当无人机完成任务之后或者出现故障后，需要利用无人机所搭载的集成化航电平台确定此时无人机的飞行状态和姿态，通过飞控模块处理后将指令输出到飞行控制设备进行减速、降高并调整飞行姿态，使无人机满足进入条件。
5.根据权利要求4所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述进入条件的确定方法如下：根据无人机接收回收控制命令时的飞行高度和开伞高度共同确定满足进入条件的高度要求；根据无人机进入条件高度下的失速速度、回收进入段初速度和开伞时无人机飞行速度确定进入条件速度左边界；根据无人机回收进入段初速度、开伞时无人机飞行速度、爬升进入段爬升高度、爬升水平距离确定速度右边界；无人机飞行姿态需满足回收进入段、爬升进入段和开伞状态姿态要求，即要求无人机在回收过程中攻角应不超过失速攻角，且无人机开伞时的滚转和俯仰角变化应控制在一定范围内；通过无人机搭载的集成化航电平台实时测量无人机姿态，传输到飞控模块处理并输出命令到飞行控制设备实现无人机姿态的调整。
6.根据权利要求4所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是满足进入条件后按照规划轨迹爬升，利用无人机自身重力和飞行气动力达成满足理想开伞条件的飞行速度，通过集成化航电平台系统和飞行控制设备进行姿态调整，达成开伞条件后给出开伞控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述自主回收控制模块收到开伞信号后控制回收设备打开伞舱盖并弹出回收伞，无人机在风场扰动干扰下降落；而后根据集成化航电平台测算飞行状态和姿态，实时预估无人机最终着陆点范围，完成无人机的回收。
8.根据权利要求7所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述无人机弹出回收伞后风场干扰下着陆点计算方法如下：
建立准确“机—伞”系统模型，即将无人机与打开的降落伞作为整机系统，利用无人机搭载的集成化航电平台实时测量无人机所处的风速的方向和大小，采用空气动力学理论估算方法确定不同风速下“机—伞”系统受到的风场作用力，采用动力学方法积分得到该系统在风场作用力、无人机重力和降落伞作用力的共同作用下的实时轨迹，获得无人机从开伞后到降落点的水平方向距离，实现精确回收。
9.根据权利要求5所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述进入条件速度左边界指无人机满足进入条件时速度所达到的最小值；无人机在满足进入条件飞行的前提是在该高度上无人机飞行速度大于失速速度，即保证飞行不失速；同时，无人机采用定攻角爬升策略，无人机在自身重力、空气动力共同作用下实现爬升、减速过程；考虑到无人机攻角要求需要小于失速攻角，且根据动学分析，在开伞速度确定的情况下，爬升攻角越大，则初始爬升的速度越小，最大的爬升攻角对应最小的进入条件速度；此外，无人机采用定俯仰角俯冲策略实现完成回收进入段，无人机在重力和空气动力共同作用下完成俯冲，根据动学分析，不同的俯冲策略也对应着最小的俯冲末速度，即回收进入段初速度越小，则进入条件速度越小；综合上述三个最小速度，其最大值即为进入条件的最小速度值，即可确定进入条件速度左边界。
10.根据权利要求5所述的一种超声速无人机回收方法，其特征是所述进入条件速度右边界指无人机满足进入条件时速度所达到的最大值；无人机在重力和空气动力共同作用下完成俯冲，根据动学分析，不同的俯冲策略也对应着最大的俯冲末速度，即回收进入段初速度越大，则进入条件速度越大；此外，无人机采用定攻角爬升策略，无人机在自身重力、空气动力共同作用下实现爬升、减速过程；且根据动学分析，在开伞速度确定的情况下，爬升攻角越小，则初始爬升的速度越大，但该情况会造成爬升进入段爬升高度和爬升水平距离过大，较大的爬升高度和爬升水平距离带来回收的困难，因此需要根据爬升进入段爬升高度和爬升水平距离对爬升策略进行约束，从而确定初始爬升速度的最大值，综合上述两个最大速度，其最小值即为进入条件的最大速度值，即可确定进入条件速度右边界。
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