CN112650282B - 一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，使用飞行器抬头的方法形成空气阻力从而完成对飞行器的刹车操作，能够严格控制刹车过程中飞行器的加速度大小，能够严格控制转换过程中飞行器经过的距离，能够抵抗飞行器重量变化和顺风逆风条件的干扰。本申请具有如下有益效果：(1)用户可以指定反向转换的刹车距离，从而加强对反向转换的把握，有利于任务返航的航线规划；(2)在触发安全保护的场景下，飞机能以最短的时间完成模式转换，可以更好的保证飞行安全；(3)直接使用飞机抬头的方法形成空气阻力，不需要增加任何减速装置，节省了重量和成本；(4)使用闭环反馈控制，刹车距离不会因为飞机的载重大小和顺风逆风的条件而变化。
Description
技术领域
本发明属于垂直起降固定翼飞行器技术领域，具体涉及一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法。
背景技术
将四旋翼和固定翼结合起来的、既能垂直起降又能平飞的飞机就是垂直起降固定翼飞机。固定翼的速度快，四旋翼的速度慢，从固定翼模式转换到四旋翼模式称为“反向转换”。当正常飞行时，飞机首先以固定翼模式高速飞行，当接收到反向转换指令后，固定翼的推进电机关闭，四旋翼的电机启动，当飞机的速度减小到一定阈值后，模式转换完成。
现有的反向转换技术方案是，飞机在反向转换的整个过程中，保持俯仰角为0度，保持横滚角为0度，并向前滑行，等待飞机的速度自然降低到目标阈值，最后完成转换。这种方案的缺点是，飞机在转换过程中只能被动地等待速度自然降低，具体要经过多长时间是个未知数，期间飞机要飞过多远的距离也是未知数。若飞机速度很快但空气阻力很小，则飞机需要等待很长的时间且飞过很远的距离后速度才能降到阈值以下。如果飞机的载重增大惯性增大，那么滑行的距离就会增大，且顺风条件下会比逆风条件的滑行距离更长，滑行距离有很强的不确定性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，所述方法包括步骤：
获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度；
根据所述刹车距离、所述初值速度和所述终值速度计算所述垂直起降固定翼飞行器的目标加速度；
根据所述实时加速度、所述目标加速度和PID控制律计算所述垂直起降固定翼飞行器的抬头角；
根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
根据所述第一俯仰角控制指令所述四旋翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行；
根据所述第二俯仰角控制指令所述固定翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行。
优选地，所述获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离包括步骤：
获取用户对所述垂直起降固定翼飞行器预设置的飞行总距离；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行总时间；
根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离；
根据所述飞行总距离和所述飞行距离计算所述刹车距离。
优选地，所述根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离包括步骤：
构造所述初值速度关于所述飞行总时间的积分函数；
计算所述积分函数的数值并得到所述飞行距离。
优选地，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一速度值；
将所述第一速度值作为所述初值速度。
优选地，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的全球定位系统读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一实时加速度值；
将所述第一实时加速度值作为所述实时加速度。
优选地，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的第二速度值；
将所述第二速度值作为所述初值速度。
优选地，所述目标加速度的表达式为：
其中，
表示所述目标加速度，v1表示所述初值速度，v2表示所述终值速度，x表示所述刹车距离。
优选地，所述抬头角的表达式为：
其中，
表示所述抬头角，KP表示所述PID控制律中的比例调节系数，KI表示所述PID控制律中的积分调节系数，KD表示所述PID控制律中的微分调节系数，
表示所述目标加速度，a表示所述实时加速度，t表示时间。
优选地，所述抬头角
满足：
优选地，所述根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令包括步骤：
判断所述抬头角是否达到预设阈值；
若是，根据所述预设阈值所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
若否，根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法具有如下有益效果：
(1)用户可以指定反向转换的刹车距离，从而加强对反向转换的把握，有利于任务返航的航线规划；
(2)在触发安全保护的场景下，飞机能以最短的时间完成模式转换，可以更好的保证飞行安全；
(3)直接使用飞机抬头的方法形成空气阻力，不需要增加任何减速装置，节省了重量和成本；
(4)使用闭环反馈控制，刹车距离不会因为飞机的载重大小和顺风逆风的条件而变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法的控制逻辑框图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1-2，在本申请实施例中，本发明提供了一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，所述方法包括步骤：
S1：获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离；
S2：获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
S3：获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度；
S4：获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度；
S5：根据所述刹车距离、所述初值速度和所述终值速度计算所述垂直起降固定翼飞行器的目标加速度；
S6：根据所述目标加速度和PID控制律计算所述垂直起降固定翼飞行器的抬头角；
S7：根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
S8：根据所述第一俯仰角控制指令所述四旋翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行；
S9：根据所述第二俯仰角控制指令所述固定翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行。
在本申请实施例中，当需要对垂直起降固定翼飞行器进行反向转换定距刹车时，此时通过调整垂直起降固定翼飞行器的抬头角来实现刹车控制。具体地，首先需要获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离、定距刹车开始时的初值速度、定距刹车过程中的实时加速度和定距刹车结束时的终值速度，然后根据所述刹车距离、所述初值速度和所述终值速度计算所述垂直起降固定翼飞行器的目标加速度，接着根据所述实时加速度、所述目标加速度和PID控制律即可计算所述垂直起降固定翼飞行器的抬头角；然后再根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令，根据所述第一俯仰角控制指令所述四旋翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行，根据所述第二俯仰角控制指令所述固定翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行，从而实现对垂直起降固定翼飞行器的刹车控制。
在本申请实施例中，步骤S1中的获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离包括步骤：
获取用户对所述垂直起降固定翼飞行器预设置的所述刹车距离。
在本申请实施例中，垂直起降固定翼飞行器的刹车距离可以由用户设置，比如用户通过笔记本上的地面站界面设置参数来指定刹车的距离。
在本申请实施例中，步骤S1中的获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离包括步骤：
获取用户对所述垂直起降固定翼飞行器预设置的飞行总距离；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行总时间；
根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离；
根据所述飞行总距离和所述飞行距离计算所述刹车距离。
在本申请实施例中，刹车距离还可以通过飞行总距离减去垂直起降固定翼飞行器已经飞行过的飞行距离得出。具体地，飞行器飞行可视为匀速飞行，此时飞行距离可以根据初值速度和飞行总时间算出，而飞行总距离可以由用户设置，故而可以根据所述飞行总距离和所述飞行距离计算所述刹车距离。
在本申请实施例中，所述根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离包括步骤：
构造所述初值速度关于所述飞行总时间的积分函数；
计算所述积分函数的数值并得到所述飞行距离。
在本申请实施例中，更普遍地，垂直起降固定翼飞行器的飞行距离还可以通过求解垂直起降固定翼飞行器的初值速度关于所述飞行总时间的积分函数的数值而得出。
在本申请实施例中，步骤S2中的获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一速度值；
将所述第一速度值作为所述初值速度。
在本申请实施例中，垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元可以读取出垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一速度值，该第一速度值即为初值速度。
在本申请实施例中，步骤S3中的获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的全球定位系统读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一实时加速度值；
将所述第一实时加速度值作为所述实时加速度。
在本申请实施例中，垂直起降固定翼飞行器上的全球定位系统可以读取出垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的第一实时加速度值，该第一实时加速度值即为实时加速度。
在本申请实施例中，步骤S4中的获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的第二速度值；
将所述第二速度值作为所述初值速度。
在本申请实施例中，垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元可以读取出垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的第二速度值，该第二速度值即为终值速度。
在本申请实施例中，所述目标加速度的表达式为：
其中，
表示所述目标加速度，v1表示所述初值速度，v2表示所述终值速度，x表示所述刹车距离。
在本申请实施例中，垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程可以视为匀减速运动，此时可以根据匀减速运动方程求取出目标加速度。目标加速度的计算公式如上，此处不再赘述。
在本申请实施例中，所述抬头角的表达式为：
其中，
表示所述抬头角，KP表示所述PID控制律中的比例调节系数，KI表示所述PID控制律中的积分调节系数，KD表示所述PID控制律中的微分调节系数，
表示所述目标加速度，a表示所述实时加速度，t表示时间。
在本申请实施例中，可以根据上述公式求出垂直起降固定翼飞行器在反向转换定距刹车过程中的抬头角。
在本申请实施例中，所述抬头角
满足：
在本申请实施例中，为了保证垂直起降固定翼飞行器的安全，需要对抬头角进行限制，抬头角不能超过阈值，否则垂直起降固定翼飞行器会有倾倒甚至失去控制的危险。具体地，抬头角
满足：
在本申请实施例中，步骤S7中的根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令包括步骤：
判断所述抬头角是否达到预设阈值；
若是，根据所述预设阈值所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
若否，根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令。
在本申请实施例中，当垂直起降固定翼飞行器根据抬头角分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令时，首先需要判断此抬头角是否达到预设阈值，也即是否
达到下限-2°或者达到上限30°。若达到预设阈值，此时为了保证飞行器安全，飞行器也只能以预设阈值来分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令，如果没有达到，则以实际的抬头角分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令即可。
在本申请实施例中，可以将抬头角分别在四旋翼和固定翼上分解得到第一角度和第二角度，四旋翼和固定翼分别按照第一角度和第二角度进行刹车飞行。同样地，可以将目标加速度分别在四旋翼和固定翼上分解得到第一目标加速度和第二目标加速度，四旋翼和固定翼分别按照第一目标加速度和第二目标加速度进行减速刹车飞行。
本申请提供的一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法具有如下有益效果：
(1)用户可以指定反向转换的刹车距离，从而加强对反向转换的把握，有利于任务返航的航线规划；
(2)在触发安全保护的场景下，飞机能以最短的时间完成模式转换，可以更好的保证飞行安全；
(3)直接使用飞机抬头的方法形成空气阻力，不需要增加任何减速装置，节省了重量和成本；
(4)使用闭环反馈控制，刹车距离不会因为飞机的载重大小和顺风逆风的条件而变化。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或
者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度；
根据所述刹车距离、所述初值速度和所述终值速度计算所述垂直起降固定翼飞行器的目标加速度；
根据所述实时加速度、所述目标加速度和PID控制律计算所述垂直起降固定翼飞行器的抬头角；
根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
根据所述第一俯仰角控制指令所述四旋翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行；
根据所述第二俯仰角控制指令所述固定翼控制所述垂直起降固定翼飞行器飞行。
2.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述获取垂直起降固定翼飞行器的刹车距离包括步骤：
获取用户对所述垂直起降固定翼飞行器预设置的飞行总距离；
获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度；
获取所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行总时间；
根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离；
根据所述飞行总距离和所述飞行距离计算所述刹车距离。
3.根据权利要求2所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述根据所述初值速度和所述飞行总时间计算所述垂直起降固定翼飞行器的反向转换定距刹车开始时的飞行距离包括步骤：
构造所述初值速度关于所述飞行总时间的积分函数；
计算所述积分函数的数值并得到所述飞行距离。
4.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的初值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车开始时的第一速度值；
将所述第一速度值作为所述初值速度。
5.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的实时加速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的全球定位系统读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车过程中的第一实时加速度值；
将所述第一实时加速度值作为所述实时加速度。
6.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述获取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的终值速度包括步骤：
通过所述垂直起降固定翼飞行器上的惯性测量单元读取所述垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车结束时的第二速度值；
将所述第二速度值作为所述初值速度。
7.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述目标加速度的表达式为：
其中，
表示所述目标加速度，v1表示所述初值速度，v2表示所述终值速度，x表示所述刹车距离。
8.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述抬头角的表达式为：
其中，
表示所述抬头角，KP表示所述PID控制律中的比例调节系数，KI表示所述PID控制律中的积分调节系数，KD表示所述PID控制律中的微分调节系数，
表示所述目标加速度，a表示所述实时加速度，t表示时间。
9.根据权利要求1或8所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述抬头角
满足：
10.根据权利要求1所述的垂直起降固定翼飞行器反向转换定距刹车方法，其特征在于，所述根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令包括步骤：
判断所述抬头角是否达到预设阈值；
若是，根据所述预设阈值所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令；
若否，根据所述抬头角所述垂直起降固定翼飞行器分别向四旋翼和固定翼发送第一俯仰角控制指令和第二俯仰角控制指令。
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- 2020-12-15 CN CN202011482741.XA patent/CN112650282B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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