CN205787899U - 垂直起降无人机自主着舰的辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统，该辅助系统包括第一电磁体、第二电磁体，其中，第一电磁体和第二电磁体均吸附在垂直起降无人机起落架上。该辅助系统结构简单，使用方便，具有良好的可靠性，能够在光线强烈和海况较差的情况下工作；该辅助系统吸附在垂直起降无人机的起落架上，不需要改变舰船和垂直起降无人机的外观；该辅助系统包括控制模块，减少在着舰时对垂直起降无人机上的微型计算机系统的依赖；能够应用在3～6级海风、浪高0～3米的海况下。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空技术领域，尤其涉及一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统及方法。
背景技术
无人机自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，具有使用便利、运营成本低、飞行精度高、机动灵活易于智能化等优点，并且在实际应用中存在大量的需求。垂直起降无人机具有轴对称结构，起飞时不需要专门的起降场地和跑道，可以垂直起飞和降落。然而，垂直起降无人机在3～6级风、浪高0.6～3米条件下的稳定停靠、稳定着舰的问题，目前仍没有比较良好的解决方案。
垂直起降无人机自主着舰是个艰巨而复杂的过程，受海上风浪的影响，舰船在海上航行时会产生沿三个坐标轴的直线运动：纵荡、横荡、垂荡，以及绕三个坐标轴的旋转运动：纵摇、横摇和艏摇。在阵风干扰和地面效应的影响下，使得垂直起降无人机成功着舰十分困难。
各种调研数据表明，影响无人机着舰的舰体运动主要是舰船的纵摇和横摇，因此如何减少舰体在无人机下降过程中的纵摇和横摇对着舰的影响引起了人们的重视。
数据分析表明，舰体的横摇具有相对光滑的正弦特性，近似于带阻尼的二阶模型。而舰体的纵摇不近似于正弦特性，不易掌握，但只要无人机系统有足够的带宽，对舰体的纵摇运动的跟踪是可实现的。现有技术中无法对舰船横摇运动作出准确预估，进而无法实现垂直起降无人机的安全着陆。
中国专利CN103955227A公开了一种无人机精准降落的控制方法，该方法利用空间几何关系和声源信号到达麦克风阵列的时延值计算无人机的偏航角和俯仰角，然后利用气压高度传感器使无人机精准降落在降落点位置，该方法能有效控地提高无人机点对点飞行的降落精度，但是该方法只能应用于无人机降落平面及降落点固定不变的环境中，不能应用于舰载无人机的降落。中国专利CN104391507A公开了一种无人机的控制方法及系统、无人机，该方法利用激光测距模块测得无人机的飞行高度，再通过计算获取无人机的机体相对降落平面的姿态角，进而控制无人机的降落过程，该方法把降落平面的摇摆转化成无人机相对降落平面的姿态角，计算过程复杂，而且在光线强烈或海况较差的情况下，光学测距仪测量结果不准确。中国专利CN105302126A公开了一种无人舰载直升机自主下降着舰的控制方法，该方法在无人机下降着舰开始时，通过舰上设备不断测量甲板着舰点的横滚角，预估未来时刻甲板着舰点的横滚角，并且发送至无人机，使无人机在预测的甲板运动最小状态下着舰，其中，甲板着舰点的横滚角的预估是基于改进的AR模型计算得到的，计算过程复杂，计算量大。
由于上述原因，本发明人对现有的无人机自主降落的方法进行了深入研究，以便设计出一种结构简单，稳定性好，成本低廉的自主着舰的控制系统。
实用新型内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统，该辅助系统包括第一电磁体1、第二电磁体2，其中，第一电磁体1和第二电磁体2均吸附在垂直起降无人机起落架上，该辅助系统结构简单，使用 方便，具有良好的可靠性，能够在光线强烈和海况较差的情况下工作；该辅助系统吸附在垂直起降无人机的起落架上，不需要改变舰船和垂直起降无人机的外观；该辅助系统包括控制模块，减少在着舰时对垂直起降无人机上的微型计算机系统的依赖；能够应用在3～6级海风、浪高0～3米的海况下完成着舰作业，从而完成本实用新型。
具体来说，本实用新型的目的在于提供以下方面：
(1)一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统，其特征在于，
该辅助系统包括第一电磁体1、第二电磁体2，
其中，第一电磁体1和第二电磁体2均吸附在垂直起降无人机的起落架上；
在所述第一电磁体1上设置有控制模块11和第一气压高度计12，
在所述第二电磁体2上设置有角速度传感器21和第二气压高度计22，
所述第二电磁体2可从所述起落架上脱落并吸附在舰船的甲板上。
(2)根据上述(1)所述的辅助系统，其特征在于，所述辅助系统还包括设置在垂直起降无人机起落架上的弹性装置3，其一端与第一电磁体1或者起落架相连，另一端与第二电磁体2相连。
(3)根据上述(1)所述的辅助系统，其特征在于1，
第一气压高度计用于测量垂直起降无人机的海拔高度，并将其传递至控制模块；
第二气压高度计用于测量舰船甲板的海拔高度，并且将其传递至所述控制模块，
角速度传感器用于测量舰船横摇角速度，并且将其传递至所述控制模块。
(4)根据上述(3)所述的辅助系统，其特征在于，
所述控制模块用于根据接收到的数据信息判断垂直起降无人机是否可以平稳着舰。
(5)根据上述(1)所述的辅助系统，其特征在于，
当所述控制模块判断出垂直起降无人机可以平稳着舰时，控制模块还用于计算获得垂直起降无人机的降落速度和降落角度，并且将其传递至垂直起降无人机上的微型计算机系统；
优选地，当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差小于警戒高度差值时，和/或所述第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差小于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机可以平稳着舰；
(6)根据上述(5)所述的辅助系统，其特征在于，
当所述控制模块判断出垂直起降无人机不可以平稳着舰时，控制模块还用于向所述垂直起降无人机上的微型计算机系统传递停止着舰指令；
优选地，当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差大于警戒高度差值时，或者当第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差大于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机不可以平稳着舰。
(7)根据上述(5)或(6)所述的辅助系统，其特征在于，
所述两组不同时刻相差0.1～0.5s；
所述警戒高度差值为0.5～1.5m；
所述警戒摆动速度值时5m/s～15m/s。
(8)根据上述(5)所述的辅助系统，其特征在于，当所述控制模块判断出垂直起降无人机满足平稳着舰的条件时，控制模块通过下式(一)获得垂直起降无人机的降落速度，通过下式(二)获得垂直起降无人机的降落角度，从而控制无人机匀速降落，
其中，代表无人机的降落速度；h代表无人机的降落高度；t代表降落总时长；n代表舰船横摇摆动的周期数；T代表舰船横摇角度摆动一周期所需时长，A代表舰船横摇角速度的最大值。
(9)一种垂直起降无人机自主着舰的方法，其特征在于，
该方法是采用如权利要求1至8之一所述的辅助系统进行的，优选地，该方法包括以下步骤：
步骤1)：垂直起降无人机上的微型计算机系统向垂直起降无人机自主着舰的辅助系统传递着舰信号；
步骤2)：垂直起降无人机自主着舰的辅助系统接收到着舰信号后，第二电磁体2脱离垂直起降无人机的起落架，降落到舰船甲板上并吸附固定在舰船甲板上；
步骤3)：测量垂直起降直升机的海拔高度、舰船甲板的海拔高度和舰船的横摇角速度，并且将测量获得的数据传递至第一电磁体1的控制模块；
步骤4)：第一电磁体1的控制模块判断垂直起降无人机是否可以平稳着舰，当判断出垂直起降无人机可以平稳着舰时，执行步骤5和步骤6，当判断出垂直起降无人机不可以平稳着舰 时，执行步骤7；
步骤5)：第一电磁体1的控制模块通过计算获得所述垂直起降无人机的降落速度和降落角度，并且传递至垂直起降无人机上的微型计算机系统；
步骤6)：无人机上的微型计算机系统控制所述垂直起降无人机着舰；
步骤7)第一电磁体1向垂直起降无人机上的微型计算机系统传递停止着舰信号。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
在步骤2中，改变流入第二电磁体2的电流方向，使得第二电磁体2脱离垂直起降无人机的起落架，降落到舰船甲板上并吸附在舰船甲板上。
本实用新型所具有的有益效果包括：
(1)该辅助系统结构简单，使用方便，具有良好的可靠性，能够在光线强烈和海况较差的情况下；
(2)该辅助系统吸附在垂直起降无人机的起落架上，不需要改变舰船和垂直起降无人机的外观；
(3)该辅助系统包括控制模块，减少在着舰时对垂直起降无人机上的微型计算机系统的依赖
(4)能够应用在3～6级海风、浪高0～3米的海况下。
附图说明
图1示出根据本实用新型一种优选实施方式的垂直起降无人机自主着舰的辅助系统的结构示意图。
附图标号说明：
1-第一电磁体
11-控制模块
12-第一气压高度计
2-第二电磁体
21-角速度传感器
22-第二气压高度计
3-弹性装置
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本实用新型提供的一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统，其特征在于，该辅助系统包括第一电磁体1、第二电磁体2，
其中，第一电磁体1和第二电磁体2都吸附在垂直起降无人机起落架上。
其中，第一电磁体1可以与垂直起降无人机的电力系统相连，由所述电力系统为第一电磁体1提供电源，也可以在第一电磁铁1内设置电源模块，由电源模块为其供电；同样地，第二电磁体2可以与垂直起降无人机的电力系统相连，由所述电力系统为第二电磁体2提供电源，也可以在第二电磁铁2内设置电源模块，由电源模块为其供电，并且优选地，所述第二电磁铁上的电源可以反向接入，使得第二电磁铁由原来吸附在第一电磁铁上变为与第一电磁铁相斥，从而快速脱落，降落到甲板上。
在一个优选的实施方式中，第一电磁体1与垂直起降无人机的微型计算机系统相连，优选地为所述控制模块11与垂直起降无人机的微型计算机系统相连，所述微型计算机系统是无人机上的核心控制单元，其能够控制无人机的运动。
在一个优选的实施方式中，所述辅助系统还包括绕在垂直起降无人机起落架上的弹性装置3，其一端与第一电磁体1相连，另一端与第二电磁体2相连。
在一个优选的实施方式中，弹性装置3是由质地较软、形变能力强的金属材料制作。
在一个优选的实施方式中，所述辅助系统还包括数据传输模块。
所述数据传输模块可以通过有线的方式进行传输，也可以通过无线的方式进行数据传输；当以有线的方式进行传输时，其可以缠绕在弹性装置上3，当以无线的方式进行传输时，分别在第一电磁体1上和第二电磁体2上设置一个数据传输模块。
在一个优选的实施方式中，所述辅助系统各个部件外层均涂覆抗氧化防腐蚀材料，所述各个部件包括第一电磁体1、第二电磁体2、弹性装置3和数据传输模块。
具体地，所述第一电磁体1包括控制模块和第一气压高度计，
其中，控制模块用于判断垂直起降无人机是否可以平稳着舰，
第一气压高度计用于测量垂直起降无人机的海拔高度，并将其传递至控制模块。
所述第二电磁体2包括第二气压高度计和角速度传感器，
其中，第二气压高度计用于测量舰船甲板的海拔高度，并将其传递至所述控制模块，
角速度传感器用于测量舰船横摇角速度，并将其传递至所述控制模块。
进一步地，控制模块根据接收的垂直起降无人机的海拔高度、舰船甲板的海拔高度和舰船横摇角速度来分析判断垂直起降无人机是否可以平稳着舰。
当控制模块判断出垂直起降无人机可以平稳着舰时，控制模块还用于计算获得垂直起降无人机的降落速度和降落角度，并且传递至垂直起降无人机上的微型计算机系统；
当控制模块判断出垂直起降无人机不可以平稳着舰时，控制模块还用于向所述垂直起降无人机上的微型计算机系统传递停止着舰命令。
更进一步地，判断所述垂直起降无人机可以平稳着舰的条件包括下述两项中的一项或两项；优选地需要满足下述两项条件，即优选地，当满足下述两项条件时认为所述垂直起降无人机满足平稳着舰的条件；
(1)当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差小于警戒高度差值时，其中，所述所述两组不同时刻相差0.1～0.5s，优选地为1s；所述警戒高度差值为0.5～1.5m，优选地为1m；
(2)第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差小于警戒摆动速度值时，其中，所述所述两组不同时刻相差0.1～0.5s，优选地为1s；所述警戒摆动速度值时5m/s～15m/s，优选地为10m/s；
更进一步地，判断所述垂直起降无人机不可以平稳着舰的条件包括下述两项中的一项或两项；优选地只需要满足下述两项条件中任意一项时，即优选地，当满足下述两项条件中任意一项时认为所述垂直起降无人机不满足平稳着舰的条件；
(1)当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差大于警戒高度差值时，其中，所述所述两组不同时刻相差0.1～0.5s，优选地为1s；所述警戒高度差值为0.5～1.5m，优选地为1m；
(2)第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差大于警戒摆动速度值时，其中，所述所述两组不同时刻相差0.1～0.5s，优选地为1s；所述警戒摆动速度值时5m/s～15m/s，优选地为10m/s；
本实用新型中所述的大于也包括二者相等的情况，即当所述舰船横摇角速度相差与警戒摆动速度值相等，或者甲板海拔高度相差与警戒高度差值相等时，都认为此时不能平稳着舰，即不满足平稳着舰的条件。
在一个优选地实施方式中，当所述控制模块判断出垂直起降无人机满足平稳着舰的条件时，控制模块通过下式(一)获得垂直起降无人机的降落速度，通过下式(二)获得垂直起降无人机的降落角度，从而控制无人机平稳降落，
其中，代表无人机的降落速度；h代表无人机的降落高度；t代表降落总时长；n代表舰船横摇摆动的周期数，优选取1及1以上自然数；T代表舰船横摇角度摆动一周期所需时长，A代表舰船横摇角速度的最大值，由所述角速度传感器测得。微型计算机系统按照接收的降落速度和降落角度控制舵机和自动倾斜器实现对垂直起降无人机的降落速度和降落角度的控制。
本实用新型中所述的平稳降落是指以恒定或者变化较小的，并且数值较小的加速度减速，直至降落的过程。
根据本实用新型提供的一种垂直起降无人机自主着舰的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)：垂直起降无人机上的微型计算机系统向垂直起降无人机自主着舰的辅助系统传递着舰信号；
步骤2)：垂直起降无人机自主着舰的辅助系统接收到着舰信号后，第二电磁体2脱离垂直起降无人机的起落架，降落到舰船甲板上并吸附在舰船甲板上；
步骤3)：测量垂直起降直升机的海拔高度、舰船甲板的海拔高度和舰船的横摇角速度，并且将测量获得的数据传递至第一电磁体1的控制模块；
步骤4)：第一电磁体1的控制模块判断垂直起降无人机是否可以平稳着舰，当判断出垂直起降无人机可以平稳着舰时，执行步骤5和步骤6，当判断出垂直起降无人机不可以平稳着舰时，执行步骤7；
步骤5)：第一电磁体1的控制模块通过计算获得所述垂直起降无人机的降落速度和降落角度，并且传递至垂直起降无人机上的微型计算机系统；
步骤6)：无人机上的微型计算机系统控制所述垂直起降无人机着舰；
步骤7)第一电磁体1向垂直起降无人机上的微型计算机系统传递停止着舰信号。
在一个优选的实施方式中，在步骤2中，改变流入第二电磁体2的电流方向，使得第二电磁体2脱离垂直起降无人机的起落架，降落到舰船甲板上并吸附在舰船甲板上，和/或
在步骤3中，通过第一气压高度计测量垂直起降直升机的海拔高度，通过第二气压高度计测量舰船甲板的海拔高度和通过通过第二电磁体2上的角速度传感器测量舰船的横摇角速度，
在步骤4中，当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差小于警戒高度差值时，和/或所述第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差小于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机可以平稳着舰；
当第二电磁体2上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差大于警戒高度差值时，或者当第二电磁体2上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差大于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机不可以平稳着舰。
在步骤6中，所述垂直起降无人机上的微型计算机系统根据接收到的降落速度和降落角度控制舵机和自动倾斜器实现着舰。
以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种垂直起降无人机自主着舰的辅助系统，其特征在于，
该辅助系统包括第一电磁体(1)、第二电磁体(2)，
其中，第一电磁体(1)和第二电磁体(2)均吸附在垂直起降无人机的起落架上；
在所述第一电磁体(1)上设置有控制模块(11)和第一气压高度计(12)，
在所述第二电磁体(2)上设置有角速度传感器(21)和第二气压高度计(22)，
所述第二电磁体(2)可从所述起落架上脱落并吸附在舰船的甲板上。
2.根据权利要求1所述的辅助系统，其特征在于，所述辅助系统还包括设置在垂直起降无人机起落架上的弹性装置(3)，其一端与第一电磁体(1)或者起落架相连，另一端与第二电磁体(2)相连。
3.根据权利要求1所述的辅助系统，其特征在于1，
第一气压高度计用于测量垂直起降无人机的海拔高度，并将其传递至控制模块(11)；
第二气压高度计用于测量舰船甲板的海拔高度，并且将其传递至所述控制模块，
角速度传感器用于测量舰船横摇角速度，并且将其传递至所述控制模块。
4.根据权利要求3所述的辅助系统，其特征在于，
所述控制模块用于根据接收到的数据信息判断垂直起降无人机是否满足可以平稳着舰的条件。
5.根据权利要求4所述的辅助系统，其特征在于，
当所述控制模块判断出垂直起降无人机满足平稳着舰的条件时，控制模块还用于计算获得垂直起降无人机的降落速度和 降落角度，并且将其传递至垂直起降无人机上的微型计算机系统；
当第二电磁体(2)上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差小于警戒高度差值时，和/或所述第二电磁体(2)上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差小于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机满足平稳着舰的条件。
6.根据权利要求5所述的辅助系统，其特征在于，
当所述控制模块判断出垂直起降无人机不满足平稳着舰的条件时，控制模块还用于向所述垂直起降无人机上的微型计算机系统传递停止着舰指令；
优选地，当第二电磁体(2)上的第二气压高度计连续测得的两组不同时刻的舰船甲板海拔高度相差大于警戒高度差值时，或者当第二电磁体(2)上的角速度传感器连续测得的两组不同时刻的舰船横摇角速度相差大于警戒摆动速度值时，所述垂直起降无人机不满足平稳着舰的条件。
7.根据权利要求5或6所述的辅助系统，其特征在于，
所述两组不同时刻相差0.1～0.5s；
所述警戒高度差值为0.5～1.5m；
所述警戒摆动速度值时5m/s～15m/s。
Priority Applications (1)
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| CN201620633396.8U CN205787899U (zh) | 2016-06-23 | 2016-06-23 | 垂直起降无人机自主着舰的辅助系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105912003A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-08-31 | 北京理工大学 | 垂直起降无人机自主着舰的辅助系统及方法 |
| CN107957728A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-04-24 | 哈尔滨工业大学（威海） | 无人机降落方法、无人机及海上浮台 |
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2016
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| CN105912003B (zh) * | 2016-06-23 | 2018-07-20 | 北京理工大学 | 垂直起降无人机自主着舰的辅助系统及方法 |
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