CN113716048A - 一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，属飞行器设计和控制领域，具体为：采用四旋翼飞行器的浮游式空中移动机场平台，其上搭载大面积的磁吸式对接装置和用于引导跟随的GD30差分卫星导航模块；磁吸式对接装置用于吸附固定翼飞机下方的铁皮；在地面段平台搭载固定翼起飞，经过过渡期使固定翼飞机正常飞行后，平台脱离固定翼并返回地面；然后，当固定翼飞机执行完任务返航时，平台起飞并跟随固定翼飞机；最后，固定翼飞机逐渐减速并与平台对接，该平台驮着已经关机的固定翼飞机降落到指定地点；对接过程通过GD30差分卫星导航模块进行定位，本发明在任何地点起飞、降落固定翼飞机，部署更加灵活、机动。
Description
技术领域
本发明属飞行器设计和控制领域，具体是一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法。
背景技术
固定翼飞机简称飞机，一般是指由动力装置来产生前进时的推力或者拉力，由机身上的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。无人驾驶飞机简称无人机，英文全称为Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV，是指利用无线电遥控设备及预设的程序控制装置进行操纵或者由机载飞控计算机完全或间歇地自主操作的不载人飞机。无人机行业进入21世纪以来发展迅猛，各种类型的无人机层出不穷，被广泛运用于各种场景。其中，消费级无人机以四旋翼无人机为主，而固定翼因其具有续航长载重大的优势，故工业级无人机仍以固定翼为主。
自1903年12月17日，美国的莱特兄弟试飞成功第一架结构简单、样子奇特的双翼飞机——“飞行者一号”以来，固定翼飞机一直采用的是起落架滑跑起降，直到近年来出现的固定翼加四旋翼组的复合式无人机，才使得该种无人机可以不需要起落架滑跑仅通过旋翼组就可以进行垂直起降，进而在空中切换到固定翼模态。除此之外，固定翼无人机还有一些独特的起飞和降落方式，比如弹射起飞、火箭助推起飞以及抛飞等，并采用伞降回收、天钩回收或者运输机空基回收。但上述这些方式都有其固有劣势，往往只能被迫用于某一被限制的领域内。而对于舰载有人固定翼飞机或者无人固定翼飞机而言，舰船空间有限，更不可能有充足的跑道供固定翼飞机进行滑跑起降。
传统固定翼飞机需要机场跑道滑跑才能达到最低起飞速度，机翼产生大于自身重力的升力后才可以起飞。近年来兴起的固定翼+四旋翼的复合式构型飞机，通过加装在固定翼飞机上的旋翼组来进行垂直起飞和降落，大大减小了固定翼飞机的使用限制，获得了广泛的应用。但这种方法的缺点也一样十分明显，旋翼组的加入大大增加了起飞重量，导致该构型飞机的载荷重量急剧减小，也因此导致该构型飞机不能做的很大，而该飞行器切换到固定翼模式后旋翼组就成为了严重的负累，还会导致空气阻力的急剧增加。
发明内容
针对上述问题，为了使固定翼飞机可以不使用机场跑道且不需要自身加装的旋翼组就可以起飞和降落，本发明提出了一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法。
所述的起降方法，具体步骤如下：
步骤一、在浮游式空中移动机场平台上搭载固定翼飞机；
浮游式空中移动机场平台选用四旋翼飞行器，搭载GD30差分卫星导航模块、图像处理模块、磁吸式连接装置和飞行控制与导航模块；
GD30差分卫星导航模块用于获取固定翼飞机和平台之间的相对位姿信息；图像处理模块用于移动跟随末端制导；磁吸式连接装置用于与固定翼飞机进行对接。
固定翼飞机机身下方安装用于和磁吸式连接装置对接的铁皮，以及用于标识自身位置的二维码；同时搭载对应的飞控。
进一步，平台机身上方安装单轴云台，使得在纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，更加平稳地与固定翼飞机进行对接。
进一步，为提升速度在平台尾部加装尾推电机，改装为五轴模式。
进一步，该平台加装充电桩和加油箱等工具；
步骤二、在地面阶段，通过磁吸式连接装置吸附固定翼飞机机身下的铁皮，将平台和固定翼飞机构成组合结构；
步骤三、组合结构借助平台的四旋翼垂直起飞，到达预定高度后，固定翼飞机的发动机启动，组合结构产生前飞速度；
固定翼飞机的初始速度较小，机翼产生的升力较小，组合结构的升力主要靠四旋翼飞行器的矢量拉力产生从而抵消其重力，维持飞行高度；组合体的姿态稳定要求目标姿态角为0°，固定翼飞机的舵面输出为0。
步骤四、随着固定翼飞机的发动机转速的加大，组合结构进入过渡期，直至达到初始的转换速度；
在过渡期阶段，四旋翼飞行器的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断减低，固定翼飞机的发动机转速不断加大，直至达到初始的转换速度；
初始转换速度要求不低于固定翼飞机的最低平飞空速。
步骤五、当达到初始转换速度后，固定翼飞机的发动机继续维持最大转速，加快组合结构的前飞速度，同时磁吸式连接装置断电，组合结构分离，固定翼飞机前飞并执行任务，平台脱离并逐渐减速，之后返回着陆点并在地面等待。
步骤六、当固定翼飞机任务执行完毕，开始返航后，固定翼飞机进入事先预设好的平飞对接航线保持高度、较低空速飞行，此时平台垂直起飞并爬升高度，跟踪固定翼飞机。
步骤七、进入引导对接阶段，利用平台上的GD30差分卫星导航系统，采用动态对动态相对差分定位技术引导该平台不断缩小与固定翼飞机之间的相对距离，当两者相对距离满足条件时，引入末端图像引导，让平台跟固定翼飞机对接再次成为组合结构。
满足条件如下：
|Δx|≤1.5m,|Δy|≤1.5m,Δz≤5m
|Δx|为平台机体坐标系下两者沿x轴相对位置差的绝对值，|Δy|为平台机体坐标系下两者沿y轴相对位置差的绝对值，Δz为平台机体坐标系下平台与固定翼飞机沿z轴相对位置差；
在此过程中，单轴云台保证纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，从而更加平稳地与固定翼飞机进行对接。当平台与固定翼飞机的三维位置相对距离小于10cm且姿态角相近时，平台开启磁吸式连接装置，对固定翼机身下方的铁皮产生强吸力并保证两者连接再次成为组合结构。
步骤八、对接后，固定翼飞机的发动机转速逐渐减小，组合结构共同减速，平台的四旋翼提供的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断增加，直至固定翼飞机的发动机转速减小为0，平台搭载固定翼飞机飞行至着陆点并垂直降落，整个飞行任务结束。
本发明的优点在于：
(1)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，既不需要机场跑道也不需要安装旋翼组就可以完成对固定翼飞机的助起助降；
(2)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，相比弹射起飞、火箭助推起飞之后，需要伞降回收或者天钩回收而言，仅使用同一台设备就可以完成对固定翼飞机的助起助降；
(3)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，通过可分离的平台进行助起助降，不需要固定翼飞机再安装起落架或者发射架，大大解放了固定翼飞机，使其可以更加从容地执行任务；
(4)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，不需要机场跑道也就意味着可以在任何地点起飞、降落固定翼飞机，部署更加灵活、机动；
(5)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，对于舰船而言，不需要再担心狭小的舰船空间无法提供跑道去起飞降落固定翼无人机，仅需要配套本发明装置就可以实现舰载无人机的助起助降；
(6)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，不似火箭助推发射起飞，该装置可以重复使用，且维修方便；
(7)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，该平台机身上方安装用于磁吸式连接装置纵向姿态稳定的单轴云台，可以使磁吸式连接装置在纵向方向上始终保持水平，更加平稳地与固定翼飞机进行对接；
(8)本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，该平台还可以扩展使用功能，比如后期可以加装充电桩、加油箱等工具，从而增加为固定翼飞机空中不降落充电、加油等功能.
附图说明
图1为本发明一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法的流程图；
图2为本发明采用的浮游式空中移动机场平台模型示意图；
图3为本发明采用的浮游式空中移动机场平台的磁吸式连接装置示意图；
图4为本发明采用的浮游式空中移动机场平台与固定翼飞机组合结构的示意图；
图5为本发明采用的浮游式空中移动机场平台与固定翼飞机组合结构工作示意图；
图6为本发明采用的浮游式空中移动机场平台与固定翼飞机对接引导方案示意图；
图7为本发明采用的浮游式空中移动机场平台使用的GD30差分卫星导航模块示意图；
图8为本发明采用的浮游式空中移动机场平台用末端图像引导示意图；
图9为本发明采用的末端图像引导模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，能够使固定翼飞机可以不使用机场跑道且不需要自身加装的旋翼组就可以起飞、降落。本发明既可以针对有人固定翼无人机进行助起助降，通过加大浮游式空中移动机场平台还可以对固定翼飞机进行助起助降，而对接装置也可以在后期进行更新迭代。
所述的起降方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、在浮游式空中移动机场平台上搭载固定翼飞机；
如图2所示，浮游式空中移动机场平台选用四旋翼飞行器，搭载了用于获取固定翼飞机和浮游式空中移动机场平台之间相对位姿信息的GD30差分卫星导航模块、用于移动跟随末端制导的图像处理模块、用于连接固定翼飞机的磁吸式连接装置和飞行控制与导航模块；
对应地，固定翼飞机则需要搭载对应的飞控、GD30移动基站、机身下方安装用于跟磁吸式模块对接的金属块以及用于标识自身位置的二维码。
进一步，在空中动态对接过程中，浮游式空中移动机场平台需要高速前飞，从而导致平台俯仰角较大不利于对接的平稳安全，因而在该平台机身上方安装用于磁吸式连接装置纵向姿态稳定的单轴云台，使得在纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，更加平稳地与固定翼飞机进行对接。除此之外，该平台还可以扩展使用功能，比如后期可以加装充电桩、加油箱等工具，从而增加为固定翼飞机空中不降落充电、加油等功能。
进一步，为提升速度可以在四旋翼尾部加装尾推电机，改装为五轴模式。
步骤二、在地面阶段，通过磁吸式连接装置吸附固定翼飞机机身下的铁皮，将平台和固定翼飞机构成组合结构；
步骤三、组合结构借助平台的四旋翼垂直起飞，到达预定高度后，固定翼飞机的发动机启动，组合结构产生前飞速度；
固定翼飞机的初始速度较小，机翼产生的升力较小，组合结构的升力主要靠四旋翼飞行器的矢量拉力产生从而抵消其重力，维持飞行高度；该过程中，四旋翼飞行器来维持组合结构的姿态稳定，要求目标姿态角为0°，固定翼飞机的舵面输出为0。
步骤四、随着固定翼飞机的发动机转速的加大，组合结构进入过渡期，直至达到初始的转换速度；
过渡期是为保证固定翼飞机能够平稳完成空中起飞的关键期，该过渡期与复合式飞机的过渡模态相似，在过渡期阶段，四旋翼飞行器的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断减低，但仍然会维持最低权重来保证组合体飞行安全；固定翼飞机的发动机转速不断加大，直至达到初始的转换速度；
初始转换速度要求不低于固定翼飞机的最低平飞空速。
步骤五、当达到初始转换速度后，固定翼飞机的发动机继续维持最大转速，加快组合结构的前飞速度，同时磁吸式连接装置断电，组合结构分离，固定翼飞机前飞并执行任务，平台脱离并逐渐减速，之后返回着陆点并在地面等待。
为了防止四旋翼脱离瞬间出现强气流干扰而导致组合体飞行姿态不稳，要保持一定时长的固定翼飞机的发动机最大转速，继续加快组合体前飞速度。
步骤六、当固定翼飞机任务执行完毕，开始返航后，固定翼飞机进入事先预设好的平飞对接航线保持高度、较低空速飞行，此时平台垂直起飞并爬升高度，跟踪固定翼飞机。
步骤七、进入引导对接阶段，利用平台上的成熟的GD30差分卫星导航系统，采用动态对动态相对差分定位技术引导，固定翼飞机仅需搭载移动基站，而平台搭载移动站，该平台便可以不断缩小两者相对距离，当两者相对距离满足条件时，引入末端图像引导，让平台跟固定翼飞机对接再次成为组合结构。
满足条件如下：
|Δx|≤1.5m,|Δy|≤1.5m,Δz≤5m
|Δx|为平台机体坐标系下两者沿x轴相对位置差的绝对值，|Δy|为平台机体坐标系下两者沿y轴相对位置差的绝对值，Δz为平台机体坐标系下平台与固定翼飞机沿z轴相对位置差；
在此过程中，单轴云台保证纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，从而更加平稳地与固定翼飞机进行对接。当平台与固定翼飞机的三维位置相对距离小于10cm且姿态角相近时，平台开启磁吸式连接装置，对固定翼机身下方的铁皮产生强吸力并保证两者连接再次成为组合结构。
步骤八、对接后，固定翼飞机的发动机转速逐渐减小，组合结构共同减速，平台的四旋翼提供的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断增加，直至固定翼飞机的发动机转速减小为0，平台搭载固定翼飞机飞行至着陆点并垂直降落，整个飞行任务结束。
本发明所使用的磁吸式连接装置，如图3所示，是一种可以控制分离、对接的连接装置。电磁绕组固定在平台上表面，并经过专门的电磁隔离，使其工作使不影响其它电传设备正常运行。对应的，在固定翼机身下方仅需要安装薄铁板而不需要安装起落架就可以完成可控制的对接任务。
在地面阶段，待起飞固定翼飞机通过磁吸式连接装置跟平台组成组合结构，如图4所示，得益于平台的垂直起降能力，组合结构可以在任意地点起降。比如荒芜人烟的沙漠、闹市的楼顶天台、狭小的舰船甲板等，任何可以起降四旋翼的地方均可以通过该平台来起降固定翼飞机。
组合结构的具体工作流程如图5所示，首先，在地面阶段，固定翼飞机和平台连接，借助平台的四旋翼垂直起飞，到达预定高度后，固定翼发动机启动，组合结构产生前飞速度，并不断加大发动机转速，两者一同进入过渡期；在该阶段固定翼飞机发动机转速不断加大，组合结构加速以达到初始转换速度，当组合结构空速达到初始转换速度后，继续加快组合体前飞速度，同时电磁铁断电，组合体分离、平台脱离，固定翼前飞并执行任务，浮游式空中移动机场平台返回着陆点并在地面等待。
当固定翼飞机任务执行完毕，开始返航后，固定翼飞机进入事先预设好的平飞对接航线保持高度、较低空速飞行，此时平台垂直起飞并爬升高度，跟踪固定翼飞机，进入引导对接阶段，引导对接方案如图6所示，首先利用如图7所示的搭载在平台上的GD30差分卫星导航系统，采用动态对动态相对差分定位技术引导该平台不断缩小两者相对距离，当两者相对距离满足条件时，再采用动态对动态相对差分定位技术的同时引入末端图像引导，图像引导过程如图8所示，图像引导模块如图9所示，从而更加精确的引导浮游式空中移动机场平台跟固定翼飞机的对接。
当两者三维位置相对距离小于10cm且姿态角相近时，平台开启电磁铁，对固定翼机身下方的铁板产生强吸力并保证两者连接成为组合结构。此后固定翼飞机的发动机转速逐渐减小，组合结构共同减速，此过程中，平台的四旋翼提供的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断增加，直至发动机转速减小为0，之后浮游式空中移动机场搭载固定翼飞机飞行至着陆点并垂直降落。至此，整个飞行任务结束。
进一步，对于空中引导对接方案，如图8所示，具体步骤如下：
1、浮游式空中移动机场平台自主跟随固定翼飞机运动。
具体地，浮游式空中移动机场平台在远距离时快速接近固定翼飞机，近距离时平台从固定翼飞机后方逐渐接近，并通过导航减少侧偏距，与固定翼飞机运动方向保持一致进行跟随，在到达固定翼飞机对接点下方时，保持平台速度与固定翼飞机速度一致，直至对接成功。
2、通过动态对动态差分相对定位技术逐步靠近固定翼飞机并缩小相对高度。
具体地，GD30差分卫星导航模块的基准站搭载在固定翼飞机上，基准站自身的绝对位置信息由伪距单点定位获得，但是伪距单点定位精度一般在米级，这就会导致动态对动态差分相对定位方法测得的绝对位置精度不高。搭载在平台上的移动站的绝对位置精度也与伪距单点定位精度相关，但是其相对位置信息由定位精度较高的载波相位差分方法获得，因此相对定位精度较高。而本方案针对浮游式空中移动机场平台自主对接，正是需要测量基准站与移动站之间的精确相对位置信息，对二者绝对位置精度要求不高。通过这种技术方法，不断缩小两相对距离。
3、到达视觉捕捉点附近引入视觉导航。
具体地，在跟随末端继续采用INS/GPS组合导航系统的同时，引入图像引导系统，工作原理如图8所示。基于视觉的图像引导系统实时采集图像，并利用图像处理技术对采集到的图像进行特征提取和计算，可以解算出平台相对于固定翼飞机的姿态信息，再向飞控系统输出浮游式空中移动机场平台的姿态信息，飞控综合INS/GPS组合导航系统与视觉导航系统的位姿信息，使平台以更高的精度与固定翼飞机对接。本方案采取基于ArUco码的图像识别方法，使用二维码标识物进行相机姿态估计。如图9所示，二维码粘贴在固定翼飞机机身下方，可适应非均匀照明，能够对所实现的二进制代码进行错误检测和校正，并且对已有的标识物进行整合，兼容性更好，能够识别ArUco，AprilTag，ARTag等多种标识物，其编写语言为C++，具有比其他库更快的运算速度具有比其他库更快的运算速度。
4、单轴云台用于抵消浮游式空中移动机场平台纵向方向的姿态运动提高对接精度。
具体地，在整个引导对接过程中，该平台机身上方安装的用于磁吸式连接装置纵向姿态稳定的单轴云台。可补偿45°的姿态角，补偿平台纵向姿态运动，要保证在纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，从而更加平稳地与固定翼飞机进行对接。
Claims (7)
1.一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先，平台选用四旋翼飞行器，搭载GD30差分卫星导航模块、图像处理模块、磁吸式连接装置和飞行控制与导航模块；
固定翼飞机机身下方安装用于和磁吸式连接装置对接的铁皮，以及用于标识自身位置的二维码；同时搭载对应的飞控；
在地面阶段，通过磁吸式连接装置吸附固定翼飞机机身下的铁皮，将平台和固定翼飞机构成组合结构；组合结构借助平台的四旋翼垂直起飞，到达预定高度后，固定翼飞机的发动机启动，随着转速的加大，组合结构进入过渡期，直至达到初始的转换速度；
当达到初始转换速度后，固定翼飞机的发动机继续维持最大转速，加快组合结构的前飞速度，同时磁吸式连接装置断电，组合结构分离，固定翼飞机前飞并执行任务，平台脱离并逐渐减速，之后返回着陆点并在地面等待；
当固定翼飞机任务执行完毕，开始返航后，固定翼飞机进入事先预设好的平飞对接航线保持高度、较低空速飞行，此时平台垂直起飞并爬升高度，跟踪固定翼飞机；进入引导对接阶段，利用平台上的GD30差分卫星导航系统，采用动态对动态相对差分定位技术引导该平台不断缩小与固定翼飞机之间的相对距离，当两者相对距离满足条件时，引入末端图像引导，让平台跟固定翼飞机对接再次成为组合结构；
对接后，固定翼飞机的发动机转速逐渐减小，组合结构共同减速，平台的四旋翼提供的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断增加，直至固定翼飞机的发动机转速减小为0，平台搭载固定翼飞机飞行至着陆点并垂直降落，整个飞行任务结束。
2.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述平台机身上方安装单轴云台，使得在纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，更加平稳地与固定翼飞机进行对接。
3.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述平台尾部加装尾推电机，改装为五轴模式。
4.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述组合结构到达预定高度后，固定翼飞机的初始速度较小，机翼产生的升力较小，组合结构的升力主要靠四旋翼飞行器的矢量拉力产生从而抵消其重力，维持飞行高度；组合体的姿态稳定要求目标姿态角为0°，固定翼飞机的舵面输出为0。
5.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述过渡期阶段，四旋翼飞行器的矢量拉力在垂直方向上维持飞行高度的合力的权重不断减低，固定翼飞机的发动机转速不断加大，直至达到初始的转换速度；
初始转换速度要求不低于固定翼飞机的最低平飞空速。
6.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述相对距离满足的条件如下：
|Δx|≤1.5m,|Δy|≤1.5m,Δz≤5m
|Δx|为平台机体坐标系下两者沿x轴相对位置差的绝对值，|Δy|为平台机体坐标系下两者沿y轴相对位置差的绝对值，Δz为平台机体坐标系下平台与固定翼飞机沿z轴相对位置差。
7.如权利要求1所述的一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法，其特征在于，所述引导对接阶段的过程中，单轴云台保证纵向方向上磁吸式连接装置始终保持水平，从而更加平稳地与固定翼飞机进行对接；当平台与固定翼飞机的三维位置相对距离小于10cm且姿态角相近时，平台开启磁吸式连接装置，对固定翼机身下方的铁皮产生强吸力并保证两者连接再次成为组合结构。
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