CN112650259B - 一种无人自转旋翼机降落控制方法 - Google Patents

一种无人自转旋翼机降落控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112650259B
CN112650259B CN202011581314.7A CN202011581314A CN112650259B CN 112650259 B CN112650259 B CN 112650259B CN 202011581314 A CN202011581314 A CN 202011581314A CN 112650259 B CN112650259 B CN 112650259B
Authority
CN
China
Prior art keywords
height
control
pitch angle
sinking rate
instruction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011581314.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112650259A (zh
Inventor
吴伟伟
蔡永恒
马存旺
李志国
付义伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rainbow UAV Technology Co Ltd
Original Assignee
Rainbow UAV Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rainbow UAV Technology Co Ltd filed Critical Rainbow UAV Technology Co Ltd
Priority to CN202011581314.7A priority Critical patent/CN112650259B/zh
Publication of CN112650259A publication Critical patent/CN112650259A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112650259B publication Critical patent/CN112650259B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G05D1/06—Rate of change of altitude or depth
    • G05D1/0607—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft
    • G05D1/0653—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft during a phase of take-off or landing
    • G05D1/0676—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft during a phase of take-off or landing specially adapted for landing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/02—Gyroplanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2201/00—UAVs characterised by their flight controls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

一种无人自转旋翼机降落控制方法，无人自转旋翼机开始着陆时，从平飞航线切入下滑轨迹线，并转入着陆下滑模式，保持预定的空速和第一下滑轨迹角，在下滑至第一预置离地高度时，高度控制保持开启，并给定第一俯仰角，关闭空速控制，开启下沉率控制，下滑至第二预置离地高度时，给定第二俯仰角和第二下滑轨迹角，保留高度积分得到的油门开度，至第三预置离地高度时，给定第三俯仰角和第三下滑轨迹角，至第四预置离地高度时，关闭高度控制，给定下沉率指令和第四俯仰角指令，判断主轮触地后，关闭发动机，前轮纠偏，逐步开启刹车，飞机停止，降落结束。本发明通过分段控制，逐步减速，实现无人自转旋翼机安全降落，同时具有较小的触地下沉率。

Description

一种无人自转旋翼机降落控制方法
技术领域
本发明属于无人机飞行控制领域，具体涉及一种无人自转旋翼机降落控制方法。
背景技术
无人自转旋翼机是一种新型的旋翼类无人机，依靠前飞来流驱动旋翼自转产生升力，动力系统推力克服前飞阻力，具有结构简单、安全性高、经济性好等特点。
无人自转旋翼机的起降控制是飞行控制的关键部分，特别是降落控制，气动非线性强，技术难度较大。采用固定翼飞机降落控制策略容易降落失败，一是可能机身俯仰角拉起缓慢，前轮触地导致降落失败，另一种是机身俯仰角拉起过大，飞机失速，降落失败。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服了现有技术的不足，提供了一种无人自转旋翼机降落控制方法，用于无人自转旋翼机的降落控制。
本发明的技术解决方案是：
一种无人自转旋翼机降落控制方法，步骤如下：
(1)无人自转旋翼机开始降落时平飞高度为Hi，从平飞航线切入下滑航线，捕获下滑轨迹线，转入着陆下滑模式，开启高度控制，空速控制保持开启，给定第一下滑轨迹角指令γ1；
(2)下滑至第一预置离地高度He时，开始第一次拉起，高度控制保持开启，给定第一俯仰角指令α1，关闭空速控制，开启下沉率P控制，油门降至怠速；
(3)下滑至第二预置离地高度Hl时，开始第二次拉起，给定第二下滑轨迹角指令γ2和第二俯仰角指令α2，根据高度误差生成下沉率控制指令，保留高度积分得到的油门开度；
(4)当俯仰角大于设定值或下沉率大于设定值或高度小于设定值时，则开启下沉率PI控制；
(5)下滑至第三预置离地高度Hj时，给定第三下滑轨迹角指令γ3和第三俯仰角指令α3；
(6)判断空速是否小于设定值，或下沉率是否大于设定值，若是，则给定第一下沉率指令Vy1，同时前轮转向对准速度方向；否则，给定第二下沉率指令Vy2，同时前轮转向对准速度方向；
(7)下滑至第四预置离地高度Hk时，关闭高度控制，给定第三下沉率指令Vy3和第四俯仰角指令α4；
(8)当触地开关触发或俯仰角小于设定值时，将前轮转向对准速度方向，进行纠偏控制；
(9)当地速小于设定值时，开启刹车，飞机停止，降落结束。
各阶段高度控制按照下式控制：
Figure BDA0002865990830000021
式中，Hg为某一待飞距X对应的离地高度，X1为第一待飞距，X2为第二待飞距，X3为第三待飞距，X4为第四待飞距；
其中，
X1＝Hi/tanγ1
X2＝He/tanγ1
Figure BDA0002865990830000022
Figure BDA0002865990830000031
待飞距X位于X2和X3之间时，采用指数拉起进行高度控制；
假设每瞬时，高度微分信号
Figure BDA0002865990830000032
与高度信号h关系如下：
Figure BDA0002865990830000033
解上述微分方程得到高度随时间变化的函数h(t)：
Figure BDA0002865990830000034
式中，H0为拉起初始高度，T为指数拉起曲线的时间常数；
拉起期间，速度V变化不大，因此得到高度随距离变化的函数h(l)：
Figure BDA0002865990830000035
式中，l为从拉起开始经过的实际距离，l＝Vt，
L＝VT
若拉起初始高度为15m，则指数拉起段的高度剖面给定信号Hg如下：
Figure BDA0002865990830000036
所述第一下沉率指令Vy1取值范围为-0.6m/s～-0.3m/s，第二下沉率指令Vy2取值范围为-0.2m/s～0m/s。
所述第一俯仰角指令α1取值范围为-3°～-1°，第二俯仰角指令α2取值范围为-2°～-0.5°，第三俯仰角指令α3取值范围为-1°～0°。
所述第四预置离地高度Hk取值范围为0.5m～2m，第三下沉率指令Vy3取值范围为-0.3m/s～-0.1m/s，第四俯仰角指令α4取值范围为2°～6°。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明通过分段控制降落下沉率，可以实现无人自转旋翼机安全降落。
(2)本发明通过在触地前采用两次拉起的方式可以实现较小的触地下沉率，提高降落安全。
附图说明
图1为本发明降落控制策略流程图
图2为本发明降落各阶段示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种无人自转旋翼机降落控制方法，步骤如下：
(1)无人自转旋翼机开始降落时平飞高度为Hi，从平飞航线切入下滑航线，捕获下滑轨迹线，转入着陆下滑模式，开启高度控制，空速控制保持开启，给定第一下滑轨迹角指令γ1；
(2)下滑至第一预置离地高度He时，开始第一次拉起，高度控制保持开启，给定第一俯仰角指令α1，关闭空速控制，开启下沉率P控制，油门降至怠速；
(3)下滑至第二预置离地高度Hl时，开始第二次拉起，给定第二下滑轨迹角指令γ2和第二俯仰角指令α2，根据高度误差生成下沉率控制指令，保留高度积分得到的油门开度；
(4)当俯仰角大于设定值或下沉率大于设定值或高度小于设定值时，则开启下沉率PI控制；
(5)下滑至第三预置离地高度Hj时，给定第三下滑轨迹角指令γ3和第三俯仰角指令α3；
(6)判断空速是否小于设定值，或下沉率是否大于设定值，若是，则给定第一下沉率指令Vy1，同时前轮转向对准速度方向；否则，给定第二下沉率指令Vy2，同时前轮转向对准速度方向；
(7)下滑至第四预置离地高度Hk时，关闭高度控制，给定第三下沉率指令Vy3和第四俯仰角指令α4；
(8)当触地开关触发或俯仰角小于设定值时，关闭发动机，保持桨盘后倾角度不变，将前轮转向对准速度方向，进行纠偏控制；
(9)当地速小于设定值时，开启刹车，飞机停止，摆平桨盘，降落结束。
如图2所示，各阶段高度控制按照下式控制：
Figure BDA0002865990830000051
式中，Hg为某一待飞距X对应的离地高度，X1为第一待飞距，X2为第二待飞距，X3为第三待飞距，X4为第四待飞距；
其中，
X1＝Hi/tanγ1
X2＝He/tanγ1
Figure BDA0002865990830000052
Figure BDA0002865990830000053
待飞距X位于X2和X3之间时，采用指数拉起进行高度控制；
假设每瞬时，高度微分信号
Figure BDA0002865990830000054
与高度信号h关系如下：
Figure BDA0002865990830000055
解上述微分方程得到高度随时间变化的函数h(t)：
Figure BDA0002865990830000061
式中，H0为拉起初始高度，T为指数拉起曲线的时间常数；
拉起期间，速度V变化不大，因此得到高度随距离变化的函数h(l)：
Figure BDA0002865990830000062
式中，l为从拉起开始经过的实际距离，l＝Vt，
L＝VT
若拉起初始高度为15m，则指数拉起段的高度剖面给定信号Hg如下：
Figure BDA0002865990830000063
对于某型无人自转旋翼机，平飞高度Hi取值范围为100m～300m，第一预置离地高度He取值范围为10m～20m，第二预置离地高度Hl取值范围为5m～10m，第三预置离地高度Hj取值范围为2m～5m,第一下滑轨迹角指令γ1取值范围为-6°～-3°,第二下滑轨迹角指令γ2取值范围为-3°～-1°，第三下沉率指令γ3取值范围为-1°～0°。
实施例：
以某型无人自转旋翼机为例，其降落控制方法如下：
(1)无人自转旋翼机开始降落时平飞高度为300m，从平飞航线切入下滑航线，捕获下滑轨迹线，转入着陆下滑模式，开启高度控制，空速控制保持开启，给定第一下滑轨迹角指令γ1为-4°；
(2)下滑至第一预置离地高度He如15m时，开始第一次拉起，高度控制保持开启，给定第一俯仰角指令α1，α1＝-2°，关闭空速控制，开启下沉率P控制，油门降至怠速；
(3)下滑至第二预置离地高度Hl时，Hl＝8m，开始第二次拉起，给定第二下滑轨迹角指令γ2和第二俯仰角指令，根据高度误差生成下沉率控制指令，保留高度积分得到的油门开度；γ2＝-1.5°，α2＝-1°；
(4)判断俯仰角大于设定值-3°或下沉率大于设定值如-1.5m/s或高度小于设定值如5m，则开启下沉率PI控制；
(5)下滑至第三预置离地高度Hj时,Hj＝3m，给定第三下滑轨迹角指令γ3和第三俯仰角指令α3，γ3＝-0.5°α3＝0°；
(6)判断空速小于设定值20m/s，或下沉率大于设定值-0.6m/s，若是，则给定第一下沉率指令-0.4m/s，前轮转向对准速度方向，否则给定第二下沉率指令0m/s，前轮转向对准速度方向；
(7)下滑至第四预置离地高度Hg时，Hg＝1.5m，高度控制关，给定第三下沉率指令-0.2m/s，给定第四俯仰角指令2.5°；
(8)当触地开关触发，或俯仰角小于设定值-1.5°时，前轮转向对准速度方向进行纠偏控制；
(9)当地速小于设定值6m/s时，开启刹车，飞机停止，降落结束。
预置离地高度、给定俯仰角及给定下滑轨迹角由飞行仿真或飞行试验确定。
本发明通过分段控制，逐步减速，实现无人自转旋翼机安全降落，同时具有较小的触地下沉率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种无人自转旋翼机降落控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)无人自转旋翼机开始降落时平飞高度为Hi，从平飞航线切入下滑航线，捕获下滑轨迹线，转入着陆下滑模式，开启高度控制，空速控制保持开启，给定第一下滑轨迹角指令γ1；
(2)下滑至第一预置离地高度He时，开始第一次拉起，高度控制保持开启，给定第一俯仰角指令α1，关闭空速控制，开启下沉率P控制，油门降至怠速；
(3)下滑至第二预置离地高度Hl时，开始第二次拉起，给定第二下滑轨迹角指令γ2和第二俯仰角指令α2，根据高度误差生成下沉率控制指令，保留高度积分得到的油门开度；
(4)当俯仰角大于设定值或下沉率大于设定值或高度小于设定值时，则开启下沉率PI控制；
(5)下滑至第三预置离地高度Hj时，给定第三下滑轨迹角指令γ3和第三俯仰角指令α3；
(6)判断空速是否小于设定值，或下沉率是否大于设定值，若是，则给定第一下沉率指令Vy1，同时前轮转向对准速度方向；否则，给定第二下沉率指令Vy2，同时前轮转向对准速度方向；
(7)下滑至第四预置离地高度Hk时，关闭高度控制，给定第三下沉率指令Vy3和第四俯仰角指令α4；
(8)当触地开关触发或俯仰角小于设定值时，将前轮转向对准速度方向，进行纠偏控制；
(9)当地速小于设定值时，开启刹车，飞机停止，降落结束；
各阶段高度控制按照下式控制：
Figure FDA0003683950150000021
式中，Hg为某一待飞距X对应的离地高度，X1为第一待飞距，X2为第二待飞距，X3为第三待飞距，X4为第四待飞距；
其中，
X1＝Hi/tanγ1
X2＝He/tanγ1
Figure FDA0003683950150000022
Figure FDA0003683950150000023
待飞距X位于X2和X3之间时，采用指数拉起进行高度控制；
假设每瞬时，高度微分信号
Figure FDA0003683950150000024
与高度信号h关系如下：
Figure FDA0003683950150000025
解上述微分方程得到高度随时间变化的函数h(t)：
Figure FDA0003683950150000026
式中，H0为拉起初始高度，T为指数拉起曲线的时间常数；
拉起期间，速度V变化不大，因此得到高度随距离变化的函数h(l)：
Figure FDA0003683950150000031
式中，l为从拉起开始经过的实际距离，l＝Vt，
L＝VT
若拉起初始高度为15m，则指数拉起段的高度剖面给定信号Hg如下：
Figure FDA0003683950150000032
2.根据权利要求1所述的一种无人自转旋翼机降落控制方法，其特征在于：所述第一下沉率指令Vy1取值范围为-0.6m/s～-0.3m/s，第二下沉率指令Vy2取值范围为-0.2m/s～0m/s。
3.根据权利要求1所述的一种无人自转旋翼机降落控制方法，其特征在于：所述第一俯仰角指令α1取值范围为-3°～-1°，第二俯仰角指令α2取值范围为-2°～-0.5°，第三俯仰角指令α3取值范围为-1°～0°。
4.根据权利要求1所述的一种无人自转旋翼机降落控制方法，其特征在于：所述第四预置离地高度Hk取值范围为0.5m～2m，第三下沉率指令Vy3取值范围为-0.3m/s～-0.1m/s，第四俯仰角指令α4取值范围为2°～6°。
CN202011581314.7A 2020-12-28 2020-12-28 一种无人自转旋翼机降落控制方法 Active CN112650259B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011581314.7A CN112650259B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 一种无人自转旋翼机降落控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011581314.7A CN112650259B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 一种无人自转旋翼机降落控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112650259A CN112650259A (zh) 2021-04-13
CN112650259B true CN112650259B (zh) 2022-09-06

Family

ID=75363552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011581314.7A Active CN112650259B (zh) 2020-12-28 2020-12-28 一种无人自转旋翼机降落控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112650259B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01285493A (ja) * 1988-05-13 1989-11-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ドラグシュート開傘装置
CN102390543A (zh) * 2011-08-23 2012-03-28 北京航空航天大学 一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法
CN102929284A (zh) * 2012-10-26 2013-02-13 哈尔滨工程大学 一种飞行器孤岛降落复飞决策方法
CN207644622U (zh) * 2017-12-05 2018-07-24 彩虹无人机科技有限公司 一种用于无人机的短距着陆减速装置
CN108710383A (zh) * 2018-05-25 2018-10-26 哈尔滨工业大学 一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法
CN110861770A (zh) * 2019-11-13 2020-03-06 彩虹无人机科技有限公司 一种无人自转旋翼机

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9899395B1 (en) * 2016-07-26 2018-02-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01285493A (ja) * 1988-05-13 1989-11-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ドラグシュート開傘装置
CN102390543A (zh) * 2011-08-23 2012-03-28 北京航空航天大学 一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法
CN102929284A (zh) * 2012-10-26 2013-02-13 哈尔滨工程大学 一种飞行器孤岛降落复飞决策方法
CN207644622U (zh) * 2017-12-05 2018-07-24 彩虹无人机科技有限公司 一种用于无人机的短距着陆减速装置
CN108710383A (zh) * 2018-05-25 2018-10-26 哈尔滨工业大学 一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法
CN110861770A (zh) * 2019-11-13 2020-03-06 彩虹无人机科技有限公司 一种无人自转旋翼机

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Automatic path planning and control design for autonomous landing of UAVs using dynamic inversion;Singh S，Padhi，R;《American Control Conference》;20091231;第2409-2414页 *
National molecular tracing network for foodborne disease surveillance in China;Weiwei Li，等;《Food Control》;20181231;第8卷;第28-32页 *
基于自抗扰算法的导弹制导律设计方法;王德爽，蔡永恒;《兵工自动化》;20130531;第32卷(第5期);第50-54页 *
彩虹4无人机航磁测量系统的安全分析与质量评价;鞠星，等;《地球物理学进展》;20200630;第35卷(第4期);第1565-1571页 *
无人旋翼机转弯飞行导航控制研究;陈淼，等;《电光与控制》;20120331;第19卷(第3期);第6-11页 *
螺旋桨滑流对自转旋翼气动特性影响分析;吴伟伟，马存旺，孙凯军;《航空工程进展》;20200430;第11卷(第2期);第176-183页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112650259A (zh) 2021-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6460810B2 (en) Semiautonomous flight director
US5330131A (en) Engines-only flight control system
CA2914291C (en) A method of automatically controlling the descent phase of an aircraft using aircraft avionics executing a descent algorithm
CN105045272B (zh) 一种小型无人直升机的自动起飞控制策略设计
JPH04331698A (ja) 航空機着陸制御方法
US7997528B2 (en) Reducing runway requirement for aircraft
CN105235892A (zh) 一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法
CN108319284B (zh) 一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法
CN111309041A (zh) 一种弹射起飞拉起控制方法
JP2019073179A (ja) 垂直離着陸機の誘導制御装置、垂直離着陸機、垂直離着陸機の誘導制御方法及び垂直離着陸機の誘導制御プログラム
CN112650259B (zh) 一种无人自转旋翼机降落控制方法
US10228702B2 (en) Method for optimizing the take-off parameters of an aircraft
CN105786020B (zh) 一种无人机的短距滑降方法
Kendall The design and development of flying qualities for the C-17 military transport airplane
Burcham, Jr et al. Development and flight test of an augmented thrust-only flight control system on an MD-11 transport airplane
TW201930148A (zh) 具降落機制之定翼機及其方法
Tucker Flying through vortex
CN108033025A (zh) 一种航空发动机推力控制方法及系统
Cashman Crosswind Guidelines
Kaneshige et al. Propulsion control with flight director guidance as an emergency flight control system
Williams X-57 Piloted Simulation Discussion
CN115933713A (zh) 一种飞机自动着陆控制方法和控制系统
CN116859959A (zh) 一种固定翼无人机无动力精准着陆自主导航方法
Сметанина et al. AUTOMATIC LANDING SINDAILY OPERATIONS
WATSON et al. Flight evaluation of a precision landing task for a powered-lift STOL aircraft

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant