CN112068597A - 一种基于前驱无人机的直升机避障系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前驱无人机的直升机避障系统，包括前驱避障无人机以及直升机避障套件，其中：直升机避障套件包括空中发射装置、前驱无人机信息处理模块；所述前驱避障无人机包括无人机本体，在无人机本体的前端设置有障碍物感知载荷舱、无人机机体上设置有导航通信控制载荷舱、电池舱、电动发动机以及火箭助推器；障碍物感知载荷舱中设置有探测传感器，当需要利用无人机进行避障探测时，空中发射装置打开的同时无人机上火箭助推器启动，助推无人机至设定时间后进行自主飞行；无人机飞行过程中，利用探测传感器采集环境信息进行自主避障的同时，将所述环境信息发送给前驱无人机信息处理模块，以使直升机根据所述环境信息制定避障策略。

Description

一种基于前驱无人机的直升机避障系统

技术领域

本发明涉及直升机避障领域，具体涉及一种基于前驱无人机的直升机避障系统。

背景技术

军用直升机需要在雾霾、雨雪、夜间、沙尘等能见度低、地形复杂的低空环境条件下执行任务，飞行员会因失去视觉参考而降低甚至丧失空间感知能力，增加与地表、障碍物等相撞的风险。现役装备避障手段已难以适应高敏捷、高动态的未来作战使用要求，研究直升机避障技术的需求已十分迫切。

目前业界主要有三种方案，分别是采用“毫米波雷达+合成视景”，“激光雷达+光电+合成视景”和“毫米波雷达+激光雷达+光电+合成视景”。

在以毫米波为主的方案中，典型代表为DARPA的Sandblaster项目和多功能射频MFRF项目，采用了94GHz毫米波探地雷达系统和合成视景系统，通过对雷达实时数据和机载地形与障碍物数据库进行融合显示，提高飞行员在沙盲情形下的环境感知能力，但因毫米波探地雷达体积和重量过大，未能在型号中应用。

在以激光雷达为主的方案中，典型代表为美国空军研究实验室AFRL的3D-LZ项目和德国Hensoldt公司的SFERION合成视觉辅助导航系统，选择了激光雷达技术作为主要对地成像探测手段，实现了激光雷达、前视红外和可见光摄像头的系统集成与数据融合显示，提高了对地形、障碍物等的识别和显示能力。

在多源融合方案中，典型代表为美国陆军在2015年启动的低能见度环境增强DVE-M项目，涉及两种多源融合系统构型，一种是SNC公司提供的集成毫米波雷达、激光雷达、前视红外和预置地形库的构型，另一种是由Areté公司提供的集成激光雷达、前视红外和预置地形库的构型。

目前在直升机智能避障领域以多源融合探测、显示与引导技术方案为主，需要在直升机上安装光电、毫米波雷达、激光雷达等多源探测设备，体积、重量和功耗较大，且探测距离始终受限，难以满足低空飞行需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于前驱无人机的直升机避障系统，可以有效解决现有避障系统只能依靠自身传感器探测结果而使得探测距离受限、难以满足低空飞行需求的问题。.

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于前驱无人机的直升机避障系统，包括前驱避障无人机以及直升机避障套件，其中：

直升机避障套件包括空中发射装置、前驱无人机信息处理模块；

所述前驱避障无人机包括无人机本体，在无人机本体的前端设置有障碍物感知载荷舱、无人机机体上设置有导航通信控制载荷舱、电池舱、电动发动机以及火箭助推器，其中：障碍物感知载荷舱中设置有探测传感器，导航通信控制载荷舱中设置有导航装置、测高装置、无线电通信装置和航线控制装置；无人机的机翼为电动弹出机翼，在无人机装载在直升机上空中发射装置上时，所述机翼收起在机身两侧，使机身整体为柱状结构；当需要利用无人机进行避障探测时，空中发射装置打开的同时无人机上火箭助推器启动，助推无人机至设定时间后，开启电动发动机驱动无人机机体后端的推进螺旋桨，使无人机朝预设航向飞行；无人机飞行过程中，利用探测传感器采集环境信息进行自主避障的同时，将所述环境信息发送给前驱无人机信息处理模块，以使直升机根据所述环境信息制定避障策略。

进一步地，所述无人机在进行环境信息探测时，探测范围需要满足直升机安全管道，其中安全管道通过直升机的外形尺寸进行确定，具体计算方法为利用直升机最大外形尺寸与余量系数相乘，将结果作为安全管道；

所述探测传感器包括毫米波雷达，毫米波雷达的方位角、俯仰角、探测距离根据安全管道的大小确定。

进一步地，无人机在发射时，由火箭助推器将无人机加速到不小于直升机A倍巡航速度，推进距离B米，火箭助推器脱落；无人机依靠电动发动机驱动推进螺旋桨进行自主飞行控制，开始正常工作，其中：

探测传感器采用毫米波雷达，方位角不小于C、俯仰角不小于D、探测距离不小于E米；测高装置采用激光测高或无线电测高，测高范围不小于F米，测高精度不低于G米；导航装置采用GNSS+INS组合方式，方位精度不低于H米；无线电通信装置要求在直升机已有通信系统工作频段内，采用定向天线，通信距离不低于I公里，满足视距内通信要求；航线控制装置根据加载的4D航线要求，进行3D循线飞行和速度控制。

进一步地，所述A的取值为1.5～2，B的取值为1.5～3km，所述毫米波雷达采用77GHz毫米波雷达，其中C、D、E根据安全管道的大小确定；F的取值为0-500m，G的取值为0.1～1m，H的取值为1～30m，I的取值为5～15km。

进一步地，所述空中发射装置采用挂架形式，在发射前将通信配置信息、航线信息等注入无人机中；

所述前驱无人机信息处理模块与直升机的通信系统交联，用于对无人机探测的环境信息进行处理和显示。

进一步地，所述直升机利用前驱避障无人机进行避障的方法包括：

S1，飞行员选择飞行计划，生成4D飞行航线，并选定通信配置信息；

S2，通过空中发射装置，将飞行航线、通信配置信息发送给前驱无人机；

S3，通过空中发射装置进入发射程序，前驱无人机火箭助推器点火，前驱无人机离开空中发射装置，0.5s后电动装置解锁弹出机翼，前驱无人机经火箭助推1s，加速到直升机1.5倍巡航速度，火箭助推器脱落，前驱无人机依靠自身动力开始自主飞行，并向直升机回传探测的环境信息；

S4，直升机接收前驱无人机探测的环境信息，判断前驱无人机是否发现障碍物，若前驱无人机发现障碍物，前驱无人机信息处理模块对障碍物信息进行处理，并提示给飞行员；

S5，判断前驱无人机是否工作结束或失联，如工作结束或失联则进行S6，若否则重复S4。

进一步地，所述直升机利用前驱避障无人机进行避障的方法，还包括：

若前驱无人机工作结束或失联，前驱无人机信息处理模块对无人机状态进行更新，并提示给飞行员。

进一步地，前驱避障无人机在进行避障探测时的方法为：

a.无人机按航线飞行，并周期发送无人机位置、状态信息以及探测到的环境信息给直升机的前驱无人机信息处理模块；

b.无人机检测前方是否有障碍物，若有则进行步骤c，若没有则进行步骤a；

c.无人机检测到前方有障碍物，将包含障碍物信息的环境信息发送给直升机，并进行避障机动；

d.判断无人机避障是否成功，若飞行状态剧烈变化，则避障失败，进行步骤e；

e判断无人机是否工作结束，若结束则执行步骤f，若否则进行步骤a；

f.若无人机避障失败或工作结束，则发送工作结束状态信息给直升机。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明针对直升机拓宽直升机避障感知距离的需求，提出一种基于前驱无人机的直升机避障系统，直升机挂载并空中发射前驱避障无人机，由前驱无人机前驱飞行，为后方直升机提供安全飞行管道。直升机本机只需要具备基本的通信、显控和发射装置，可以在对原机不进行或仅进行少量物理改装的情况下，以外挂方式提供远距离避障功能。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为前驱避障无人机的结构示意图；

图3为直升机避障系统和前驱避障无人机工作流程。

具体实施方式

本发明提出了一种基于前驱无人机的直升机避障系统，如图1所示，包括前驱避障无人机以及直升机避障套件，其中：直升机避障套件包括空中发射装置、前驱无人机信息处理模块；

所述前驱避障无人机包括无人机本体，在无人机本体的前端设置有障碍物感知载荷舱、无人机机体上设置有导航通信控制载荷舱、电池舱、电动发动机以及火箭助推器，其中：障碍物感知载荷舱中设置有探测传感器，导航通信控制载荷舱中设置有导航装置、测高装置、无线电通信装置和航线控制装置；无人机的机翼为电动弹出机翼，在无人机装载在直升机上空中发射装置上时，所述机翼收起在机身两侧，使机身整体为柱状结构；当需要利用无人机进行避障探测时，空中发射装置打开的同时无人机上火箭助推器启动，助推无人机至设定时间后，开启电动发动机驱动无人机机体后端的推进螺旋桨，使无人机朝预设航向飞行；无人机飞行过程中，利用探测传感器采集环境信息进行自主避障的同时，将所述环境信息发送给前驱无人机信息处理模块，以使直升机根据所述环境信息制定避障策略；例如当障碍较远时，进行回避或跟随飞行；当障碍物较近时，则根据实际情况进行减速飞行或消速悬停。

所述无人机在进行环境信息探测时，探测范围需要满足直升机安全管道，其中安全管道通过直升机的外形尺寸进行确定，具体计算方法为利用直升机最大外形尺寸与余量系数相乘，将结果作为安全管道。以AH-64阿帕奇直升机外形尺寸计算，其旋翼长度约15米、机高约5米，留出四倍余量，则安全管道尺寸约为150米×25米。

无人机常用障碍物感知载荷有毫米波雷达、激光雷达、视觉雷达等，考虑到直升机使用场景，视觉和激光受到环境限制较多，毫米波虽然角分辨率受限，但穿透能力强，因此所述探测传感器包括毫米波雷达，毫米波雷达的方位角、俯仰角、探测距离根据安全管道的大小确定。例如，为满足体积、重量、成本等要求，在常见波段中选择77GHz。为满足覆盖安全管道需求，要求方位角不小于60°、俯仰角不小于6°、探测距离不小于150米。

无人机在发射时，由火箭助推器将无人机加速到不小于直升机A倍巡航速度，推进距离B米，火箭助推器脱落；无人机依靠电动发动机驱动推进螺旋桨进行自主飞行控制，开始正常工作，其中：

探测传感器采用毫米波雷达，方位角不小于C、俯仰角不小于D、探测距离不小于E米；测高装置采用激光测高或无线电测高，测高范围不小于F米，测高精度不低于G米；导航装置采用GNSS+INS组合方式，方位精度不低于H米；无线电通信装置要求在直升机已有通信系统工作频段内，采用定向天线，通信距离不低于I公里，满足视距内通信要求；航线控制装置根据加载的4D航线要求，进行3D循线飞行和速度控制。

所述A的取值为1.5～2，B的取值为1.5～3km，所述毫米波雷达采用77GHz毫米波雷达，其中C、D、E根据安全管道的大小确定；F的取值为0-500m，G的取值为0.1～1m，H的取值为1～30m，I的取值为5～15km。

直升机避障套件包括空中发射装置、前驱无人机信息处理模块，要求直升机具备基本的通信和显控设备。所述空中发射装置采用挂架形式，在发射前将通信配置信息、航线信息等注入无人机中；所述前驱无人机信息处理模块与直升机的通信系统交联，用于对无人机探测的环境信息进行处理和显示。

基于上述技术方案，如图3所示，所述直升机利用前驱避障无人机进行避障的方法包括：

S1，飞行员选择飞行计划，生成4D飞行航线，并选定通信配置信息；

S2，通过空中发射装置，将飞行航线、通信配置信息发送给前驱无人机；

S3，通过空中发射装置进入发射程序，前驱无人机火箭助推器点火，前驱无人机离开空中发射装置，0.5s后电动装置解锁弹出机翼，前驱无人机经火箭助推1s，加速到直升机1.5倍巡航速度，火箭助推器脱落，前驱无人机依靠自身动力开始自主飞行，并向直升机回传探测的环境信息；

S4，直升机接收前驱无人机探测的环境信息，判断前驱无人机是否发现障碍物，若前驱无人机发现障碍物，前驱无人机信息处理模块对障碍物信息进行处理，并提示给飞行员；

S5，判断前驱无人机是否工作结束或失联，如工作结束或失联则进行S6，若否则重复S4。

S6，若前驱无人机工作结束或失联，前驱无人机信息处理模块对无人机状态进行更新，并提示给飞行员。

本方案中，如图3所示，前驱避障无人机在进行避障探测时的方法为：

a.无人机按航线飞行，并周期发送无人机位置、状态信息以及探测到的环境信息给直升机的前驱无人机信息处理模块；

b.无人机检测前方是否有障碍物，若有则进行步骤c，若没有则进行步骤a；

c.无人机检测到前方有障碍物，将包含障碍物信息的环境信息发送给直升机，并进行避障机动；

d.判断无人机避障是否成功，若飞行状态剧烈变化，则避障失败，进行步骤e；

e判断无人机是否工作结束，若结束则执行步骤f，若否则进行步骤a；

f.若无人机避障失败或工作结束，则发送工作结束状态信息给直升机。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，包括前驱避障无人机以及直升机避障套件，其中：

直升机避障套件包括空中发射装置、前驱无人机信息处理模块；

所述前驱避障无人机包括无人机本体，在无人机本体的前端设置有障碍物感知载荷舱、无人机机体上设置有导航通信控制载荷舱、电池舱、电动发动机以及火箭助推器，其中：障碍物感知载荷舱中设置有探测传感器，导航通信控制载荷舱中设置有导航装置、测高装置、无线电通信装置和航线控制装置；无人机的机翼为电动弹出机翼，在无人机装载在直升机上空中发射装置上时，所述机翼收起在机身两侧，使机身整体为柱状结构；当需要利用无人机进行避障探测时，空中发射装置打开的同时无人机上火箭助推器启动，助推无人机至设定时间后，开启电动发动机驱动无人机机体后端的推进螺旋桨，使无人机朝预设航向飞行；无人机飞行过程中，利用探测传感器采集环境信息进行自主避障的同时，将所述环境信息发送给前驱无人机信息处理模块，以使直升机根据所述环境信息制定避障策略。

2.根据权利要求1所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，所述无人机在进行环境信息探测时，探测范围需要满足直升机安全管道，其中安全管道通过直升机的外形尺寸进行确定，具体计算方法为利用直升机最大外形尺寸与余量系数相乘，将结果作为安全管道；

所述探测传感器包括毫米波雷达，毫米波雷达的方位角、俯仰角、探测距离根据安全管道的大小确定。

3.根据权利要求1所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，无人机在发射时，由火箭助推器将无人机加速到不小于直升机A倍巡航速度，推进距离B米，火箭助推器脱落；无人机依靠电动发动机驱动推进螺旋桨进行自主飞行控制，开始正常工作，其中：

探测传感器采用毫米波雷达，方位角不小于C、俯仰角不小于D、探测距离不小于E米；测高装置采用激光测高或无线电测高，测高范围不小于F米，测高精度不低于G米；导航装置采用GNSS+INS组合方式，方位精度不低于H米；无线电通信装置要求在直升机已有通信系统工作频段内，采用定向天线，通信距离不低于I公里，满足视距内通信要求；航线控制装置根据加载的4D航线要求，进行3D循线飞行和速度控制。

4.根据权利要求3所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，所述A的取值为1.5～2，B的取值为1.5～3km，所述毫米波雷达采用77GHz毫米波雷达，其中C、D、E根据安全管道的大小确定；F的取值为0-500m，G的取值为0.1～1m，H的取值为1～30m，I的取值为5～15km。

5.根据权利要求1所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，所述空中发射装置采用挂架形式，在发射前将通信配置信息、航线信息等注入无人机中；

所述前驱无人机信息处理模块与直升机的通信系统交联，用于对无人机探测的环境信息进行处理和显示。

6.根据权利要求1所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，所述直升机利用前驱避障无人机进行避障的方法包括：

S1，飞行员选择飞行计划，生成4D飞行航线，并选定通信配置信息；

S2，通过空中发射装置，将飞行航线、通信配置信息发送给前驱无人机；

S3，通过空中发射装置进入发射程序，前驱无人机火箭助推器点火，前驱无人机离开空中发射装置，0.5s后电动装置解锁弹出机翼，前驱无人机经火箭助推1s，加速到直升机1.5倍巡航速度，火箭助推器脱落，前驱无人机依靠自身动力开始自主飞行，并向直升机回传探测的环境信息；

S4，直升机接收前驱无人机探测的环境信息，判断前驱无人机是否发现障碍物，若前驱无人机发现障碍物，前驱无人机信息处理模块对障碍物信息进行处理，并提示给飞行员；

S5，判断前驱无人机是否工作结束或失联，如工作结束或失联则进行S6，若否则重复S4。

7.根据权利要求6所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，所述直升机利用前驱避障无人机进行避障的方法，还包括：

若前驱无人机工作结束或失联，前驱无人机信息处理模块对无人机状态进行更新，并提示给飞行员。

8.根据权利要求1所述的基于前驱无人机的直升机避障系统，其特征在于，前驱避障无人机在进行避障探测时的方法为：

a.无人机按航线飞行，并周期发送无人机位置、状态信息以及探测到的环境信息给直升机的前驱无人机信息处理模块；

b.无人机检测前方是否有障碍物，若有则进行步骤c，若没有则进行步骤a；

c.无人机检测到前方有障碍物，将包含障碍物信息的环境信息发送给直升机，并进行避障机动；

d.判断无人机避障是否成功，若飞行状态剧烈变化，则避障失败，进行步骤e；

e判断无人机是否工作结束，若结束则执行步骤f，若否则进行步骤a；

f.若无人机避障失败或工作结束，则发送工作结束状态信息给直升机。

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