CN113608552B - 一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法 - Google Patents

Abstract

一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，包括以下步骤：路线规划，对滑行的滑道进行滑行引导轨道的设置，货运无人机在滑道上实现自主滑行；自主滑行，对货运无人机自主滑行的方向速度以及角度进行控制；结束滑行，自主滑行完成之后，根据实际滑行状态选择正常结束滑行或者应急结束滑行，本发明中的引导方法包括路线规划、自主滑行、结束滑行三个单元，使货运无人机沿着规划好的路线自主滑行，滑行过程中实时进行自主纠偏控制，结束滑行单元包括正常结束、应急结束模块，实现货运无人机的正常滑行结束以及应急保护情况下的滑行结束，对转弯角度进行控制，减少货运无人机自主滑行转弯过程中受到偏向力所造成的影响，从而能够有效的降低货运无人机滑轮的磨损程度。

Description

一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法

技术领域

本发明涉及货运无人机技术邻域，具体是一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法。

背景技术

货运无人机是无人驾驶飞机的简称，现有货运无人机系统常被用于军事领域的无人侦察机以及货运无人机中，通过遥控操作货运无人机进行侦查以及运输操作，对于货运无人机的开拓具有一定的现实意义。

现有技术中，货运无人机从停机坪推出到跑道通常采用地面牵引车牵引的方式，随着货运无人机数量的增多，以及大型货运无人机的飞行频率较高，这种方式需要的人力、物力资源都在增加，效率低、强度大，无法满足高效化、现代化的机场运营需求，其中，公开号为CN109788618B公开了一种引导飞机地面滑行的灯光控制方法，包括：按预设周期更新在滑行道上滑行的目标飞机的当前坐标；根据所述当前坐标，更新所述目标飞机的轨迹信息；根据所述轨迹信息和引导长度，计算在滑行道上引导所述目标飞机滑行的引导中线灯信息；根据所述引导中线灯信息，控制相应的中线灯点亮，引导所述目标飞机在滑行道上滑行，上述发明能够通过滑行道中线灯来引导飞机滑行，避免滑行错误，显著提升机场场面交通的安全水平和运行效率，但是，在货运无人机滑行的过程中，常常由于滑行引导的误差造成货运无人机受损的情况发生，且货运无人机在滑行的过程中滑行引导的精确性低下，无法满足货运无人机在货运方面的发展，为此，提出了一种地面自主滑行引导的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，对货运无人机的转弯角度进行控制，从而减少货运无人机自主滑行转弯过程中受到偏向力所造成的影响，降低货运无人机在自主滑行过程中所受到的磨损程度，提升货运无人机的载物的能力，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，包括以下步骤：路线规划，对滑行的滑道进行滑行引导轨道的设置，货运无人机在滑道上实现自主滑行；自主滑行，对货运无人机自主滑行的方向速度以及角度进行控制；结束滑行，自主滑行完成之后，根据实际滑行状态选择正常结束滑行或者应急结束滑行。

作为本发明进一步的方案：具体包括以下步骤：

S1:路线规划，首先，需要对货运无人机垂直方向承受不同重量以及转动不同角度时所承受到的偏向力进行检测，得出转弯角度以及垂直方向载重对货运无人机偏向力的作用程度，需要说明的是，为了减少误差，检测的环境为水泥地面，控制摩擦系数为水泥地面的摩擦系数，根据转弯偏转角度与受到偏向力的关系曲线制定滑行引导的路线规划，然后，根据货运无人机的货运状态选择货运无人机的滑行路线；

S2：自主滑行，选择完成自主滑行路线之后，根据路线规划模块对偏向力与转弯角度的检测，根据货运无人机垂直方向所承受的载重选择合适的转弯角度，在选择合适转弯角度的同时，实时控制转弯时货运无人机的滑行速度；

S3:结束滑行，根据货运无人机自主滑行的状态，判断货运无人机自主滑行是否在自主滑行引导系统控制范围内，货运无人机与自主滑行引导系统之间信号连接状态正常，货运无人机自主滑行正常结束，当货运无人机自主滑行引导系统信号受到干扰无法进行自主滑行的时候，实行应急结束。

作为本发明再进一步的方案：包括自主滑行引导系统，所述路线规划、自主滑行和结束滑行通过自主滑行引导系统控制运行，所述自主滑行引导系统包括控制中心、滑行引导控制区和信号传输库，所述滑行引导控制区包括路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元，所述路线规划单元包括路线规划模块和路线选择模块，所述自主滑行单元包括滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块，所述结束滑行单元包括正常结束模块和应急结束模块。

作为本发明再进一步的方案：所述控制中心与滑行引导控制区和信号传输库之间信号连接，所述滑行引导控制区与路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元之间信号连接，所述路线规划单元与路线规划模块和路线选择模块之间信号连接，所述自主滑行单元与滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块之间信号连接，所述结束滑行单元与正常结束模块之间信号连接。

作为本发明再进一步的方案：所述路线规划模块与路线选择模块之间信号连接，所述滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块之间信号连接，所述结束滑行单元与正常结束模块信号连接，所述控制中心与路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元之间信号连接，所述控制中心与路线规划模块、路线选择模块、滑行纠错模块、转弯控制模块、速度控制模块、以及正常结束模块之间信号连接，所述滑行引导控制区与路线规划模块、路线选择模块、滑行纠错模块、转弯控制模块、速度控制模块、以及正常结束模块之间信号连接。

作为本发明再进一步的方案：SI包括以下具体步骤：

S11：根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，路线规划模块与路线选择模块控制货运无人机在选定的滑行引导路线上滑动；

S12：判断准备滑行的路线上是否有障碍物，当选择的滑行路线上有障碍物时，再次返回路线选择模块，再次根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，重复判断新选择滑行路线上是否存在障碍物，存在障碍物的情况下再次重复上步操作步骤，当不存在障碍物的时候，开始自主滑行。

作为本发明再进一步的方案：S2包括以下具体步骤：

S21:判断滑行的方向、转弯角度以及速度，通过路线规划模块的检测，货运无人机垂直方向的不同载重以及货运无人机转弯的不同角度产生不同的偏向力，控制货运无人机一次转弯角度在0°-10°之间，根据偏转角度控制货运无人机的滑行速度，同时，货运无人机滑行方向产生偏移的时候，对货运无人机滑行方向进行实时纠正；

S22：在自主滑行的过程中，判断货运无人机的滑行状态，以便及时控制货运无人机的滑行引导。

作为本发明再进一步的方案：S3包括正常结束模块和应急结束模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中的引导方法包括路线规划、自主滑行、结束滑行三个单元，其中路线规划模块包括路线规划模块、路线选择模块；自主滑行单元包括滑行纠偏单元、转弯控制模块、速度控制模块，使货运无人机沿着规划好的路线自主滑行，滑行过程中实时进行自主纠偏控制；结束滑行单元包括正常结束、应急结束模块，实现货运无人机的正常滑行结束以及应急保护情况下的滑行结束。

2.通过路线规划模块和路线选择模块，能够对规划路线上的障碍物进行判断，从而转变选择的规划路线，防止货运无人机在夜晚视线不佳的情况下与障碍物产生撞击，实现对货运无人机的保护，通过路线规划模块实现货运无人机的自主滑行，且通过路线选择模块提升货运无人机自主滑行的自动化程度。

3.自主滑行单元中设置滑行纠偏单元、转弯单元和速度控制模块，滑行纠偏单元能够提升货运无人机滑行过程中的滑行的精确程度，降低货运无人机在自主滑行过程中出现滑行偏差造成安全事故的问题，且根据货运无人机垂直方向所受到的作用力，对货运无人机的转弯角度进行控制，从而减少货运无人机自主滑行转弯过程中受到偏向力所造成的影响，降低货运无人机在自主滑行过程中所受到的磨损程度，提升货运无人机的载物的能力，根据货运无人机垂直方向所受载荷控制货运无人机转弯角度，从而实现货运无人机的路线选择。

4.通过正常滑行结束单元和应急滑行结束单元，在货运无人机受到信号干扰的时候，启动应急滑行结束单元，应急滑行单元不需要信号控制，通过操作员启动预先设置的引导滑道滑行，解决了货运无人机自主滑行过程中信号受到干扰时，货运无人机自主滑行引导失效的情况下，货运无人机出现滑行失控的弊端。

附图说明

图1为一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法模块图。

图2为图1滑行引导模块的具体实施步骤图。

图3为转弯偏转角度与受到偏向力的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1-3，本发明实施方案中，一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，包括以下步骤：路线规划，对滑行的滑道进行滑行引导轨道的设置，货运无人机在滑道上实现自主滑行；自主滑行，对货运无人机自主滑行的方向速度以及角度进行控制；结束滑行，自主滑行完成之后，根据实际滑行状态选择正常结束滑行或者应急结束滑行。

本实施例中，地面自主滑行的引导方法主要包括如下步骤：

S1:路线规划，首先，需要对货运无人机垂直方向承受不同重量以及转动不同角度时所承受到的偏向力进行检测，得出转弯角度以及垂直方向载重对货运无人机偏向力的作用程度，需要说明的是，为了减少误差，检测的环境为水泥地面，控制摩擦系数为水泥地面的摩擦系数，根据转弯偏转角度与受到偏向力的关系曲线制定滑行引导的路线规划，然后，根据货运无人机的货运状态选择货运无人机的滑行路线；

S2：自主滑行，选择完成自主滑行路线之后，根据路线规划模块对偏向力与转弯角度的检测，根据货运无人机垂直方向所承受的载重选择合适的转弯角度，在选择合适转弯角度的同时，实时控制转弯时货运无人机的滑行速度；

S3:结束滑行，根据货运无人机自主滑行的状态，判断货运无人机自主滑行是否在自主滑行引导系统控制范围内，货运无人机与自主滑行引导系统之间信号连接状态正常，货运无人机自主滑行正常结束，当货运无人机自主滑行引导系统信号受到干扰无法进行自主滑行的时候，实行应急结束。

关于货运无人机的滑行中的路线规划、自主滑行和结束滑行这三个步骤需要通过自主滑行引导系统运行完成，自主滑行引导系统包括控制中心、滑行引导控制区和信号传输库，所述滑行引导控制区包括路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元，所述路线规划单元包括路线规划模块和路线选择模块，所述自主滑行单元包括滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块，所述结束滑行单元包括正常结束模块和应急结束模块。

所述控制中心与滑行引导控制区和信号传输库之间信号连接，所述滑行引导控制区与路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元之间信号连接，所述路线规划单元与路线规划模块和路线选择模块之间信号连接，所述自主滑行单元与滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块之间信号连接，所述结束滑行单元与正常结束模块之间信号连接，所述路线规划模块与路线选择模块之间信号连接，所述滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块之间信号连接，所述结束滑行单元与正常结束模块信号连接，所述控制中心与路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元之间信号连接，所述控制中心与路线规划模块、路线选择模块、滑行纠错模块、转弯控制模块、速度控制模块、以及正常结束模块之间信号连接，所述滑行引导控制区与路线规划模块、路线选择模块、滑行纠错模块、转弯控制模块、速度控制模块、以及正常结束模块之间信号连接。

需要说明的是，路线规划步骤由路线规划单元自主控制，自主滑行单元由自主滑行模块控制，结束滑行由结束滑行单元控制，通过自主滑行控制引导系统控制货运无人机的自主滑行操作。

上述步骤SI中，包括以下具体步骤：

S11：根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，路线规划模块与路线选择模块控制货运无人机在选定的滑行引导路线上滑动；

S12：判断准备滑行的路线上是否有障碍物，当选择的滑行路线上有障碍物时，再次返回路线选择模块，再次根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，重复判断新选择滑行路线上是否存在障碍物，存在障碍物的情况下再次重复上步操作步骤，当不存在障碍物的时候，开始自主滑行。

上述步骤S2中，包括以下具体步骤：

S21:判断滑行的方向、转弯角度以及速度，通过路线规划模块的检测，货运无人机垂直方向的不同载重以及货运无人机转弯的不同角度产生不同的偏向力，控制货运无人机一次转弯角度在0°-10°之间，根据偏转角度控制货运无人机的滑行速度，同时，货运无人机滑行方向产生偏移的时候，对货运无人机滑行方向进行实时纠正；

S22：在自主滑行的过程中，判断货运无人机的滑行状态，以便及时控制货运无人机的滑行引导。

在大型货运无人机自主滑行引导过程中，总体分为路线规划、自主滑行和结束滑行三个步骤实行货运无人机的自主滑行引导，需要说明的是，整个自主滑行过程通过自主滑行引导系统完成，需要说明的是，在路线规划步骤中，由于货运无人机在滑行过程中产生的偏向力受到货运无人机垂直方向载重的影响,[需要说明的是，滑行偏向力受到载荷的影响记载在编号为 167125497(2011)040915206，名称为轮胎侧偏力学特性的胎压影响分析及预测的期刊中，偏向力受到转弯角度的影响记载在姜明磊，周涛，叶树斌，臧孟炎.“轮胎侧偏刚度有限元仿真研究.”机械设计与制造工程.(2015):18-22) 中]因此，在实验的过程中，利用上述期刊中的测量方法对载荷、转弯角度和偏向力进行测量，对货运无人机垂直方向多次分别施加25KN，35KN,45KN和 55KN的载荷进行试验，以便进一步判断载重对无人机偏向力的影响程度，整个载荷的计算为货运无人机自身重量与货运无人机运载货物重量之和，避免货运无人机自身重量造成实验数据的误差，提升偏向力测量过程中的精确度，通过多次检测取平均值的实验方式，所检测到的不同垂直载重以及不同偏转角度对货运无人机转弯过程中所受偏向力的影响，对转弯偏转角度以及所受偏向力关系的曲线图能够得出，在同一偏转角度情况下，货运无人机垂直方向所受到的载荷越高，货运无人机所受到的偏向力越大，从而货运无人机转弯所需要使用到的滑轮受到的磨损越严重，在同一载荷情况下，在0°-10°范围内，滑轮偏转方向一侧所受到的偏向力逐渐增强，超过10°转角之后，随着偏转角度继续增加，滑轮偏转方向一侧所受到的偏向力增长趋势明显呈增加状态，在0°-10°范围内，滑轮远离偏转方向的一侧所受到的偏向力逐渐增加，且增加的程度与滑轮偏转方向一侧所受到的偏向力增加程度的增长趋势相近，在偏转角度超过10°之后，滑轮远离偏向方向一侧的偏向力曲线逐渐呈水平状态，偏向力不再改变，因此，在自主滑行引导系统中的转弯控制模块设置货运无人机单次转弯角度在0°-10°之间，从而控制滑轮两侧偏向力相同，此时，滑轮两侧受力较均匀，从而降低货运无人机在滑行的过程中由于偏向力造成滑轮受力不均匀，降低地面摩擦所造成的滑轮大程度受到磨损的状况，根据货运无人机需要转动的角度，多次实现货运无人机的转弯调节，解决了货运无人机滑行转弯过程中在偏向力受力不均情况下，造成货运无人机滑行状态低下的情况，根据检测结果设置路线规划，路线规划模块规划完成自主滑行路线之后，通过路线选择模块选择没有障碍物的路线，从而便于货运无人机在夜晚操作员视线不佳的情况下，自定规避存在障碍物的路线，提升货运无人机在自主滑行过程中的安全性，降低货运无人机在滑行过程中容易受到障碍物干扰，导致自主滑行引导系统信号降低的问题，同时，货运无人机实现障碍物的规避在一定程度上提升自主滑行引导系统的功能性，降低货运无人机在滑行过程中遭遇障碍物撞击的受到损坏的现象。

选择自主滑行路线之后，根据需要转弯的角度，控制货运无人机多次以 0°-10°的转弯角度开始偏转，由于控制中心与滑行引导控制区信号连接，滑行引导控制区与自主滑行单元信号连接，自主滑行单元与转弯控制模块信号连接，因此，整个转弯角度的偏转通过控制中心控制转弯控制模块完成，在转弯的过程中，自主滑行引导系统检测到滑行方向在惯性的情况下发生偏转，此时，由于自主滑行引导控制系统控制中心控制的自主滑行单元与滑行纠偏模块信号连接，且滑行纠偏模块与转弯控制模块信号连接，因此，滑行纠偏模块控制转弯控制模块转动控制货运无人机转动一定角度，这个角度控制在0°-10°范围内，从而滑行纠偏模块调节货运无人机的滑行，防止货运无人机在滑行过程中出现滑行的方向偏离规划的路线，造成自主滑行偏离规划路线，导致自主滑行精确度降低的弊端，在自主滑行的过程中，当货运无人机降落到设定路线规划的滑道上开始转弯的时候，在转弯的过程中，由于自主滑行单元与速度控制中心信号连接，因此，通过控制中心控制自主滑行模块中的速度控制单元调节货运无人机转弯时的滑行速度，控制货运无人机在转弯滑行过程中的滑行速度逐渐降低，最后，利用货运无人机的惯性控制货运无人机的偏转角度，从而减少惯性在货运无人机自主滑行过程中的影响，利用货运无人机滑行过程中产生的偏向力对货运无人机滑行过程中的惯性产生抵消，滑行的过程中，在货运无人机的自主滑行引导系统没有受到信号干扰的时候，货运无人机按照自主滑行引导系统完成货运无人机的滑行，滑行完成之后，由于控制中心与结束正常结束模块信号连接，因此，控制中心控制通过正常结束模块控制货运无人机结束货运无人机的自主滑行，在货运无人机的自主滑行引导系统受到信号感染的情况下，启用货运无人机内部预先设置的应急结束模块完成货运无人机的自主滑行，通过应急结束模块的设置，应急结束模块为单独预先设置的模块，不需要通过控制中心控制，当自主滑行出现异常的时候，自动启动应急结束模块，从而应急结束模块能够有效的防止货运无人机的自主滑行引导系统在滑行的过程中受到信号干扰的时候，系统紊乱所造成的安全隐患，解决了现有技术中，货运无人机容易受到信号干扰，从而导致货运无人机滑行路线出现较大偏差，造成货运无人机在自主滑行中产生损失的弊端，有效的提升货运无人机在自主滑行过程中的安全性以及功能性。

需要特别说明的是，本申请中自主滑行单元为现有技术的应用，转弯控制模块为本申请的创新点，其有效解决了货运无人机的滑轮在转弯过程中由于偏向力受力不均造成磨损的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，其特征在于，包括以下步骤：路线规划，对滑行的滑道进行滑行引导轨道的设置，货运无人机在滑道上实现自主滑行；自主滑行，对货运无人机自主滑行的方向速度以及角度进行控制；结束滑行，自主滑行完成之后，根据实际滑行状态选择正常结束滑行或者应急结束滑行；

S1:路线规划，首先，需要对货运无人机垂直方向承受不同重量以及转动不同角度时所承受到的偏向力进行检测，得出转弯角度以及垂直方向载重对货运无人机偏向力的作用程度，需要说明的是，为了减少误差，检测的环境为水泥地面，控制摩擦系数为水泥地面的摩擦系数，根据转弯偏转角度与受到偏向力的关系曲线制定滑行引导的路线规划，然后，根据货运无人机的货运状态选择货运无人机的滑行路线；

S2：自主滑行，选择完成自主滑行路线之后，根据路线规划模块对偏向力与转弯角度的检测，根据货运无人机垂直方向所承受的载重选择合适的转弯角度，在选择合适转弯角度的同时，实时控制转弯时货运无人机的滑行速度；

S3:结束滑行，根据货运无人机自主滑行的状态，判断货运无人机自主滑行是否在自主滑行引导系统控制范围内，货运无人机与自主滑行引导系统之间信号连接状态正常，货运无人机自主滑行正常结束，当货运无人机自主滑行引导系统信号受到干扰无法进行自主滑行的时候，实行应急结束；

S2包括以下具体步骤：

S21:判断滑行的方向、转弯角度以及速度，通过路线规划模块的检测，货运无人机垂直方向的不同载重以及货运无人机转弯的不同角度产生不同的偏向力，控制货运无人机一次转弯角度在0°-10°之间，根据偏转角度控制货运无人机的滑行速度，同时，货运无人机滑行方向产生偏移的时候，对货运无人机滑行方向进行实时纠正；

S22：在自主滑行的过程中，判断货运无人机的滑行状态，以便及时控制货运无人机的滑行引导。

2.根据权利要求1所述的一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，其特征在于，包括自主滑行引导系统，所述路线规划、自主滑行和结束滑行通过自主滑行引导系统控制运行，所述自主滑行引导系统包括控制中心、滑行引导控制区和信号传输库，所述滑行引导控制区包括路线规划单元、自主滑行单元和结束滑行单元，所述路线规划单元包括路线规划模块和路线选择模块，所述自主滑行单元包括滑行纠错模块、转弯控制模块和速度控制模块，所述结束滑行单元包括正常结束模块和应急结束模块。

3.根据权利要求1所述的一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，其特征在于，SI包括以下具体步骤：

S11：根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，路线规划模块与路线选择模块控制货运无人机在选定的滑行引导路线上滑动；

S12：判断准备滑行的路线上是否有障碍物，当选择的滑行路线上有障碍物时，再次返回路线选择模块，再次根据货运无人机的货运状态选择滑行路线，重复判断新选择滑行路线上是否存在障碍物，存在障碍物的情况下再次重复上步操作步骤，当不存在障碍物的时候，开始自主滑行。

4.根据权利要求1所述的一种大型货运无人机地面自主滑行引导的方法，其特征在于，S3包括正常结束模块和应急结束模块。