CN112937896A - 一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法，智能停机舱伺服控制器采集风向、风速等信息，通过与飞机交互，飞机进行姿态调整实现顺风或逆风安全精准降落，满足无人机降落至停机舱内的水平偏差约束；智能停机舱通过正位装置将飞机正位后，停机舱伺服控制器与飞机交互获取机头朝向，计算转盘转动角度，控制转盘转动至飞机收藏位置。本发明所述的装置可以有效解决由于风向不同导致的垂起固定翼降落朝向的不确定性问题，同时该装置的应用可减小垂起固定翼收藏尺寸包络尺寸40％，进而使智能停机舱尺寸、重量和成本下降，有利于车载运输，为垂起无人值守系统应用推广提供竞争优势。

Description

一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法
技术领域
本发明属于无人机飞行技术领域，尤其是涉及一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法。
背景技术
目前，无人值守产品属于无人机新兴应用模式，该系统由无人机、智能停机舱和控制平台组成，可远程控制无人机进行自主作业，任务完成后停机舱对无人机进行存储和充电，保障了无人机的无人值守式的连续作业。当前，无人值守系统中无人机基本为多旋翼无人机，飞机体积相对较小，但受限于多旋翼的航程、载荷能力，无人值守系统的应用受到一定的限制，尤其在边防、林业、石油管线等大面积巡检领域，无法采用多旋翼进行大规模作业。而垂起固定翼无人机融合了传统固定翼无人机和旋翼无人机的优点，具有旋翼机垂直起降、悬停和低速巡航特点，同时兼具固定翼无人机高速巡航、大航程的特点，可满足广域普查监测应用场合。
受垂起固定翼无人机机翼及尾翼形状、降落中飞机姿态等影响，为确保无人机精准降落后能完全密封收藏于停机舱中，会造成垂起固定翼无人机停机舱尺寸过大、空间利用率较低、制造成本较高，目前市场中没有相应的配套停机舱。
垂起固定翼无人机受气动外形约束，在降落过程中需要顺风或逆风悬停以保证飞机姿态稳定性才能实现安全精准降落；为小型化停机舱尺寸，在收藏时需无人机保持固定朝向，由于风向的不确定性导致安全降落和收藏过程中出现诸多矛盾。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法，以解决无人机受风速、风向不确定性等环境因素影响，无法顺风或逆风悬停保持姿态稳定性以实现安全降精准落，会出现无法降落至停机舱中；无人机降落至停机舱后，机头朝向与飞机固定收藏于停机舱中的方向存在偏差，若为保证无人机密封收藏于停机舱中，停机舱尺寸过大的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，包括无人机飞行控制器、指挥中心显控软件、停机舱伺服控制器、停机舱；
所述无人机飞行控制器将命令传送给指挥中心显控软件，指挥中心显控软件将命令发送至停机舱伺服控制器，停机舱伺服控制器控制停机舱对降落的无人机进行调整；
所述停机舱包括转盘机构、正位机构，所述无人机降落在转盘机构上，通过正位机构将无人机推动至转盘机构中心，转盘机构调整无人机机头朝向。
进一步的，所述转盘机构包括无人机转盘、电机小齿轮、步进电机、回转支撑轮、安装板，所述步进电机安装在安装板底部，所述安装板上设有第一通孔，所述步进电机转轴贯穿第一通孔后与电机小齿轮，所述回转支撑轮转动安装在安装板中间，所述电机小齿轮与回转支撑轮啮合，所述无人机转盘固定在回转支撑轮顶部；
所述步进电机连接有驱动器，驱动器与停机舱伺服控制器连接。
进一步的，所述转盘机构还包括编码器齿轮、编码器，所述编码器安装在安装板底部，安装板上设有第二通孔，编码器转轴端贯穿第二通孔后与编码器齿轮连接，编码器齿轮与回转支撑轮啮合；
编码器与伺服控制器电性连接，伺服控制器还连接有风速风向传感器。
进一步的，所述正位机构包括两组X推杆、两组Y推杆，两组X推杆相对移动，两组Y推杆相对移动。
一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，以下步骤：
S1、无人机以固定翼飞行模式飞行至停机舱上方，无人机切换至旋翼模式，通知指挥中心显控软件准备降落；
S2、停机舱伺服控制器获取地面风速风向信息，并将数据传送给指挥中心显控软件；
S3、指挥中心显控软件将风向等数据传输至无人机飞行控制器，无人机根据风向调整姿态，使机头顺风或逆风，并在旋翼模式下垂直精准降落至停机舱内；
S4、无人机降落至停机藏后，机头朝向不确定，停机舱伺服控制器根据舱中无人机收藏方向要求通过转盘机构与正位机构进行调整。
进一步的，所述步骤S4中机头朝向分为a、b、c、d四种情况。
进一步的，无人机降落后机头朝向所属a方向区域范围内，经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向左方，飞机停在最终正确收藏位置。
进一步的，无人机降落后机头朝向b方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向后方，则转盘逆时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
进一步的，无人机降落后机头朝向所属c方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向右方，则转盘顺时针转动180°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
进一步的，无人机降落后机头朝向所属d方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向前方，则转盘顺时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
相对于现有技术，本发明所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统及方法具有以下有益效果：
(1)本发明所述的无人值守停机舱垂起固定翼无人机风向自适应辅助降落系统及方法，可以有效解决由于风向不同导致的垂起固定翼降落朝向的不确定性问题，同时该装置的应用可减小垂起固定翼收藏尺寸包络尺寸40％，进而使智能停机舱尺寸、重量和成本下降，有利于车载运输，为垂起无人值守系统应用推广提供竞争优势。
(2)本发明所述的无人值守停机舱垂起固定翼无人机风向自适应辅助降落系统及方法，通过停机舱伺服控制器采集风速、风向等信息，与地面指挥中心显控软件和飞行器控制软件通信，对飞机姿态调整，使飞机机头迎风或逆风安全稳定降落至停机舱中。
(3)本发明所述的无人值守停机舱垂起固定翼无人机风向自适应辅助降落系统中的转盘控制，调整无人机在舱内姿态至最终收藏位置以减小停机舱尺寸、重量等。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的风向自适应辅助降落调整系统示意图；
图2为本发明实施例所述的转盘结构爆炸图；
图3为本发明实施例所述的转盘结构部分剖视图；
图4为本发明实施例所述的辅助降落系统工作流程示意图；
图5为本发明实施例所述的飞机降落后相对方向划分示意图；
图6为本发明实施例所述的飞机降落a方向示意图；
图7为本发明实施例所述的飞机降落b方向示意图；
图8为本发明实施例所述的飞机降落c方向示意图；
图9为本发明实施例所述的飞机降落d方向示意图；
图10为本发明实施例所述的伺服控制策略框图。
附图标记说明：
1、无人机转盘；2、电机小齿轮；3、步进电机；4、回转支撑轮；5、编码器齿轮；6、编码器；7、安装板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，包括无人机飞行控制器、指挥中心显控软件、停机舱伺服控制器、停机舱；
所述无人机飞行控制器将命令传送给指挥中心显控软件，指挥中心显控软件将命令发送至停机舱伺服控制器，停机舱伺服控制器控制停机舱对降落的无人机进行调整；
所述停机舱包括转盘机构、正位机构，所述无人机降落在转盘机构上，通过正位机构将无人机推动至转盘机构中心，转盘机构调整无人机机头朝向，调整而完成后，通过平台的升降使无人机进入停机舱内，便于无人机完全密封收藏于停机舱中。
如图2、图3所示，所述转盘机构包括无人机转盘1、电机小齿轮2、步进电机3、回转支撑轮4、安装板7，所述步进电机3安装在安装板7底部，所述安装板7上设有第一通孔，所述步进电机3转轴贯穿第一通孔后与电机小齿轮2，所述回转支撑轮4转动安装在安装板7中间，所述电机小齿轮2与回转支撑轮4啮合，所述无人机转盘1固定在回转支撑轮4顶部；
所述步进电机3连接有驱动器，驱动器与停机舱伺服控制器连接；
如图2、图3所示，所述转盘机构还包括编码器齿轮5、编码器6，所述编码器6安装在安装板7底部，安装板7上设有第二通孔，编码器6转轴端贯穿第二通孔后与编码器齿轮5连接，编码器齿轮5与回转支撑轮4啮合；
编码器与伺服控制器电性连接，伺服控制器还连接有风速风向传感器。
风速风向传感器采集风速、风向，并将结果传送至停机舱伺服控制器，解决由于风向不同导致的垂起固定翼降落朝向的不确定性问题；
所述正位机构包括两组X推杆、两组Y推杆，两组X推杆相对移动，两组Y推杆相对移动。
驱动器与步进电机电性连接，具体连接方式采用现有技术，通过停机舱伺服控制器控制驱动器，驱动器驱动步进电机；
转盘机构通过步进电机转动驱动电机小齿轮转动，电机小齿轮转动带动回转支撑轮转动，回转支撑轮转动带动无人机转盘转动，无人机降落在无人机转盘时，通过无人机转盘转动调节无人机降落位置，使无人机的固定翼朝向正确的位置；回转支撑轮转动时带动编码器转动，编码器齿轮带动编码器转动从而无人机转盘的转动角度反馈；
无人机转盘通过带齿轮的回转支承轮安装到底座上，能够360°连续旋转；电机通过齿轮带动转盘转动；转盘转动的角度通过齿轮传递到编码器轴上，实现转盘的位置反馈；辅助降落系统转盘回转是通过伺服控制系统完成的，系统中控制回路采用位置指向环路闭环设计方案如图10所示。
对于位置指向环路，给定角度指向量θp，对转盘当前位置实时反馈角度θfb，经比较计算后得到偏差信号Δθ并输入至位置环路控制器得到速度控制量ωp，输入伺服电机驱动器，经过驱动器内部环路进行设定速度转动，驱动电机完成转动调节，进而实现位置指向控制。
两组X推杆、两组Y推杆配合移动后将无人机移动至中间位置，通过停机舱伺服控制器控制无人机准确停在机舱内，其中两组X推杆、两组Y推杆的具体连接结构采用现有无人机停机舱内的正位机构，此处不再详细介绍。
如图4至图10所示，一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、无人机以固定翼飞行模式飞行至停机舱上方，无人机切换至旋翼模式，通知指挥中心显控软件准备降落；
S2、停机舱伺服控制器获取地面风速风向信息，并将数据传送给指挥中心显控软件；
S3、指挥中心显控软件将风向等数据传输至无人机飞行控制器，无人机根据风向调整姿态，使机头顺风或逆风，并在旋翼模式下垂直精准降落至停机舱内；
S4、无人机降落至停机藏后，机头朝向不确定，停机舱伺服控制器根据舱中无人机收藏方向要求通过转盘机构与正位机构进行调整。
所述步骤S4中机头朝向分为a、b、c、d四种情况。
无人机降落后机头朝向所属a方向区域范围内，经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向左方，无人机停在最终正确收藏位置。
无人机降落后机头朝向b方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向后方，则转盘逆时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
无人机降落后机头朝向所属c方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向右方，则转盘顺时针转动180°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
无人机降落后机头朝向所属d方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向前方，则转盘顺时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
本系统的具体工作流程如下：
1)无人机以固定翼模式飞行至停机舱上方，无人机飞控软件通过对推进螺旋桨和四旋翼螺旋桨的控制，自动将固定翼飞行模式切换至旋翼模式，通知地面远程指挥中心显控软件准备降落；
2)停机舱伺服控制器实时采集风速风向传感器数据，获取地面风速风向信息，并将数据传至指挥中心显控软件；
3)指挥中心显控软件将风向等数据传输至无人机飞行控制器，无人机根据风向调整姿态，使机头顺风或逆风，并在旋翼模式下垂直精准降落至停机舱内。
4)无人机降落至停机舱后，机头朝向不确定，停机舱伺服控制器根据舱中无人机收藏方向要求转动转盘调整机头朝向，满足无人机收藏要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，其特征在于：
包括无人机飞行控制器、指挥中心显控软件、停机舱伺服控制器、停机舱；
所述无人机飞行控制器将命令传送给指挥中心显控软件，指挥中心显控软件将命令发送至停机舱伺服控制器，停机舱伺服控制器控制停机舱对降落的无人机进行调整；
所述停机舱包括转盘机构、正位机构，所述无人机降落在转盘机构上，通过正位机构将无人机推动至转盘机构中心，转盘机构调整无人机机头朝向。
2.根据权利要求1所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，其特征在于：所述转盘机构包括无人机转盘(1)、电机小齿轮(2)、步进电机(3)、回转支撑轮(4)、安装板(7)，所述步进电机(3)安装在安装板(7)底部，所述安装板(7)上设有第一通孔，所述步进电机(3)转轴贯穿第一通孔后与电机小齿轮(2)，所述回转支撑轮(4)转动安装在安装板(7)中间，所述电机小齿轮(2)与回转支撑轮(4)啮合，所述无人机转盘(1)固定在回转支撑轮(4)顶部；
所述步进电机(3)连接有驱动器，驱动器与停机舱伺服控制器连接。
3.根据权利要求2所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，其特征在于：所述转盘机构还包括编码器齿轮(5)、编码器(6)，所述编码器(6)安装在安装板(7)底部，安装板(7)上设有第二通孔，编码器(6)转轴端贯穿第二通孔后与编码器齿轮(5)连接，编码器齿轮(5)与回转支撑轮(4)啮合；
编码器与停机舱伺服控制器电性连接，停机舱伺服控制器还连接有风速风向传感器。
4.根据权利要求1所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落系统，其特征在于：所述正位机构包括两组X推杆、两组Y推杆，两组X推杆相对移动，两组Y推杆相对移动。
5.一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、无人机以固定翼飞行模式飞行至停机舱上方，无人机切换至旋翼模式，通知指挥中心显控软件准备降落；
S2、停机舱伺服控制器获取地面风速风向信息，并将数据传送给指挥中心显控软件；
S3、指挥中心显控软件将风向等数据传输至无人机飞行控制器，无人机根据风向调整姿态，使机头顺风或逆风，并在旋翼模式下垂直精准降落至停机舱内；
S4、无人机降落至停机藏后，机头朝向不确定，停机舱伺服控制器根据舱中无人机收藏方向要求通过转盘机构与正位机构进行调整。
6.根据权利要求5所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于：所述步骤S4中机头朝向分为a、b、c、d四种情况。
7.根据权利要求6所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于：无人机降落后机头朝向所属a方向区域范围内，经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向左方，飞机停在最终正确收藏位置。
8.根据权利要求6所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于：无人机降落后机头朝向b方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向后方，则转盘逆时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
9.根据权利要求6所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于：无人机降落后机头朝向所属c方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向右方，则转盘顺时针转动180°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
10.根据权利要求6所述的一种垂起固定翼无人值守风向自适应辅助降落方法，其特征在于：无人机降落后机头朝向所属d方向区域范围内，则经过停机舱两组X推杆、两组Y推杆归位后，无人机起落架在转盘中间位置，机头朝向前方，则转盘顺时针转动90°使机头朝向左方停在最终正确收藏位置。
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