CN105366059A

CN105366059A - 一种固定翼无人机的定点伞降方法

Info

Publication number: CN105366059A
Application number: CN201510908996.0A
Authority: CN
Inventors: 程浩; 支晓栋
Original assignee: Shenzhen Science And Technology Ltd Of Flying Horse Robot
Current assignee: Shenzhen Science And Technology Ltd Of Flying Horse Robot
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机的定点伞降方法，包括如下步骤：A：无人机飞行器到达并留待指定伞降点上空；B：获取实时风向，并自动规划伞降航线；C：判断无人机飞行器的飞行高度是否稳定并适合进入伞降航线，是则继续步骤D，否则返回步骤A；D：进入伞降航线，获取实时风速；E：锁定方向舵输出到中立位置，并自动规划开伞点坐标；F：判断无人机飞行器是否到达开伞点坐标，是则开启降落伞，否则返回步骤D。本发明可以降低飞行器着陆过程中，对飞控手的依赖性，在伞降的过程中可以根据天气情况自动规划开伞位置，并且降落到指定位置周边；既不需要操控手的经验与控制，也不受异常天气的影响，并且对场地需求最小。

Description

一种固定翼无人机的定点伞降方法

技术领域

本发明涉及无人机定点伞降技术，尤其涉及的是一种固定翼无人机的定点伞降方法。

背景技术

目前固定翼无人机降落方式主要为：

(1)飞行员操纵固定翼飞机正常降落

(2)飞行员判断空中风向，凭借自身经验，通过遥控器手动操纵伞仓装置以实现的伞降模式

(3)固定翼无人机根据给定轨道自动完成降落。

上述三种方式中，第一种方式需要无人机操控手具有很强的操控能力以及经验，且这种方式对降落场地的环境要求过于苛刻。对于异常的天气或者较小的降落场地还需要人为拉降落网辅助无人机降落，既增加了野外作业的负担也增加了对操控手的能力要求。如果操控手操作失误还有可能损伤无人机甚至对地面人员造成伤害。

第三种降落方式虽然是对第一种方式的升级，由飞行器控制器来取代操控手来控制无人机降落。但由于目前市面上所有固定翼无人机还基本不具备视觉自动壁障功能，对于设定的降落轨道上需要做禁空限制。并且在场地的需求方面需要更长的跑道来完成飞控设备的自动降落。

而上述的第二种方式则对操控手提出了更高的要求，既要估算出天空中风的方向也好估算出风的速度，并且还要凭借自身经验来估算出一个开伞位置，一旦开伞后无人机就失去操控手的控制。倘若操控手对此经验不足，在稍有风的影响下，无人机就有可能降落到未知的地方。虽然在降落伞的保护下不至于伤人，但无人机的搜寻工作相当困难。

综上所述，固定翼无人机目前的几种降落方式对人员环境场地要求过大。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以根据天气情况自动规划开伞位置，并且降落到指定位置周边；既不需要操控手的经验与控制，也不受异常天气的影响，并且对场地需求最小的固定翼无人机的定点伞降方法。

本发明的技术方案如下：一种固定翼无人机的定点伞降方法，包括如下步骤：A：无人机飞行器到达并留待指定伞降点上空；B：获取实时风向，并自动规划伞降航线；C：判断无人机飞行器的飞行高度是否稳定并适合进入伞降航线，是则继续步骤D，否则返回步骤A；D：进入伞降航线，获取实时风速；E：锁定方向舵输出到中立位置，并自动规划开伞点坐标；F：判断无人机飞行器是否到达开伞点坐标，是则开启降落伞，否则返回步骤D。

应用于上述技术方案，所述的定点伞降方法中，步骤A中，具体为：无人机飞行器进入伞降逻辑后，其根据给定的伞降点坐标规划出一条盘旋路径，无人机飞行器到达伞降点上空并以指定高度进行定点盘旋。

应用于各个上述技术方案，所述的定点伞降方法中，步骤B中，自动规划的伞降航线为一条沿逆风方向的航线。

应用于各个上述技术方案，所述的定点伞降方法中，步骤B和步骤D中，是通过无人机飞行器根据实时获取的GPS数据、空速数据以及IMU数据，计算实时风向和实时风速。

应用于各个上述技术方案，所述的定点伞降方法中，步骤D中，无人机飞行器在高度稳定后，选择适合进入规划航线的位置进入伞降航线。

应用于各个上述技术方案，所述的定点伞降方法中，步骤E中，无人机飞行器进入航线后，还根据实时风速和高度，计算开伞后飞行器漂移的水平距离，并自动规划开伞点坐标。

采用上述方案，本发明可以降低飞行器着陆过程中，对飞控手的依赖性，在伞降的过程中可以根据天气情况自动规划开伞位置，并且降落到指定位置周边；既不需要操控手的经验与控制，也不受异常天气的影响，并且对场地需求最小。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

本实施例提供了一种固定翼无人机的定点伞降方法，如图1所示，定点伞降方法包括如下步骤：首先步骤A：无人机飞行器到达并留待指定伞降点上空；具体的，无人机飞行器在接收伞降指令之后，其即进入伞降逻辑，进入伞降逻辑后，无人机飞行器会根据给定的伞降点坐标规划处一条盘旋路径，并在伞降点上空以指定高度进行定点盘旋。

然后，在伞降点上空以指定高度进行定点盘旋后，无人机飞行器即执行步骤B：获取实时风向，并自动规划伞降航线；其中，在这期间，无人机飞行器会根据实时获取的GPS数据、空速数据以及IMU数据解算实时飞行器姿态与风速风向信息；并且，根据风方向，规划一条沿逆风方向的航线，即伞降航线。

然后，步骤C：无人机飞行器根据设置，自动判断其飞行的高度是否稳定、以及其高度是否适合进入伞降航线，在判断其飞行高度稳定并适合进入伞降航线时，则继续执行步骤D，即无人机飞行器进入伞降航线，进入伞降航线之后，无人机飞行器还获取实时风速。

当判无人机飞行器断其飞行高度不稳定，使其不适合进入伞降航线时，则返回重新开始执行步骤A，直到其飞行高度稳定并适合进入伞降航线为止。

无人机飞行器在进入伞降航线，并获取实时飞行风速之后，执行步骤E：锁定方向舵输出到中立位置，并自动规划开伞点坐标；其中，无人机飞行器在高度稳定后，选择适合进入规划航线的位置进入伞降航线。待进入航线后，会再根据实时风速和高度，计算开伞后飞行器会漂移的水平距离。根据计算出的距离，在航线上规划出开伞点，同时恢复并锁定方向舵输出到中立位。

最后，步骤F：无人机飞行器自动判断其目前的飞行位置是否到达开伞点坐标，当其飞行位置达到上风区的开伞点后，则开启降落伞，等待无人机飞行器着陆，当其飞行位置不在开伞点坐标时，则返回重新执行步骤步骤D。

其中，无人机飞行器在估算其飞行的空中风速和空中风向时，首先，对于大型固定翼无人机来说，飞机基本配备迎角传感器与风向标，风速容易获取。而对于小型固定翼无人机，可用的传感器相对匮乏，无法直接获取，只可以通过算法进行估算。

估算风速算法需要使用无人机飞行器实时的GPS数据，空速管测量的飞机实时的空速值以及飞机实时姿态。估算风速主要的思路为空速、地速与风速三者之间的关系，即：

S＝V+W

其中：

S = [\begin{matrix} S_{x} \\ S_{y} \\ S_{z} \end{matrix}]

地理坐标系下的地速向量

V = [\begin{matrix} V_{x} \\ V_{y} \\ V_{z} \end{matrix}]

地理坐标系下的空速向量

W = [\begin{matrix} W_{x} \\ W_{y} \\ W_{z} \end{matrix}]

地理坐标系下的风速向量

这里我们假设风速在短时间内基本恒定，即短时间内W₁＝W₂＝W。

那么可以取短时间内的两个上述等式S₁＝V₁+W₁和S₂＝V₂+W₂对这两个等式进行处理可以获得：

W = \frac{(S_{2} + S_{1}) - (V_{2} + V_{1})}{2}

对于小型固定翼无人机飞行器，我们可以假设空速方向与飞机机身方向近似平行。这样，空速向量就可以近似使用空速计测量数值乘以机身方向向量。假设在某段时间内，速度变量的变化绝大部分原因是由于速度方向的变化，而不是速度大小的变化，那么我们可以假设这时的速度向量的模值为一个常值。方向余弦矩阵列向量在考虑飞机俯仰角的时候是很准确的，但是如果加上飞机的偏航角，就会出现一个偏航误差。所以使用如下等式来表示空速向量：

V \approx V \cdot [\begin{matrix} c o s (θ) & - s i n (θ) & 0 \\ s i n (θ) & \cos (θ) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \cdot F,

其中

V为空速的数值

θ为方向余弦矩阵的航向角误差

F为方向余弦矩阵用来表示机体方向的列向量

进而将校准后的空速代入等式可获得三轴风速向量：

\begin{matrix} W_{x} \\ = \frac{S_{1 x} + S_{2 x} - V \cdot (\cos (θ) \cdot (F_{1 x} + F_{2 x}) - \sin (θ) \cdot (F_{1 y} + F_{2 y}))}{2} \end{matrix}

\begin{matrix} W_{y} \\ = \frac{S_{1 y} + S_{2 y} - V \cdot (\cos (θ) \cdot (F_{1 x} + F_{2 x}) + \sin (θ) \cdot (F_{1 y} + F_{2 y}))}{2} \end{matrix}

\begin{matrix} W_{z} \\ = \frac{S_{1 z} + S_{2 z} - V \cdot (F_{1 z} + F_{2 z})}{2} \end{matrix}

其次，对开伞时刻与下降过程无人机受力进行建模，确定风对开伞姿态与开伞位置。

对于固定翼无人机在正常巡航过程中，会受到重力、升力、发动机推力以及阻力。在开伞的瞬间，由于降落伞的瞬间拉力的影响，空速会急剧下降，飞行器的升力会大幅下降，近似为零。在关闭发动机此时飞行器受到重力、阻力以及降落伞的拉力。

在开伞瞬间虽然会关闭发动机，但飞机本身的惯性以及降落伞绳的拉力会使飞行器在减速过程中，产生一个很大的迎角，进而会使飞行器震荡。对于定点伞降，上文中提到过需要沿逆风方向飞过到伞降点上风区。如果开伞瞬间机头不与风向平行，那么这个震荡会使飞行器产生一个偏离风向的侧向力，影响降落位置精度。所以开伞前一定时间，需要恢复无人机飞行器方向舵到中立位置，以飞行器的横向静稳定能力恢复飞行器自身方向到风速方向。

在保证飞行器震荡方向与风速方向基本一致的情况下，风会很快加速飞行器的漂移速度和风速一致，加速时间基本可以忽略。如果飞行器重量与降落伞规格不变的，那么下降速度可以近似为一个恒定值。这样我们就可以计算出漂移距离为：

d_{c o m p e n s a t i o n} = \frac{h_{r e l a t i v e} * | W |}{v_{d e s e n t}},

其中

h_relative为飞行器相对高度

|W|为风速数值

v_desent为开伞后飞行器下降速度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种固定翼无人机的定点伞降方法，其特征在于，包括如下步骤：

A：无人机飞行器到达并留待指定伞降点上空；

B：获取实时风向，并自动规划伞降航线；

C：判断无人机飞行器的飞行高度是否稳定并适合进入伞降航线，是则继续步骤D，否则返回步骤A；

D：进入伞降航线，获取实时风速；

E：锁定方向舵输出到中立位置，并自动规划开伞点坐标；

F：判断无人机飞行器是否到达开伞点坐标，是则开启降落伞，否则返回步骤D。

2.根据权利要求1所述的定点伞降方法，其特征在于：步骤A中，具体为：无人机飞行器进入伞降逻辑后，其根据给定的伞降点坐标规划出一条盘旋路径，无人机飞行器到达伞降点上空并以指定高度进行定点盘旋。

3.根据权利要求1所述的定点伞降方法，其特征在于：步骤B中，自动规划的伞降航线为一条沿逆风方向的航线。

4.根据权利要求1所述的定点伞降方法，其特征在于：步骤B和步骤D中，是通过无人机飞行器根据实时获取的GPS数据、空速数据以及IMU数据，计算实时风向和实时风速。

5.根据权利要求1所述的定点伞降方法，其特征在于：步骤D中，无人机飞行器在高度稳定后，选择适合进入规划航线的位置进入伞降航线。

6.根据权利要求1所述的定点伞降方法，其特征在于：步骤E中，无人机飞行器进入航线后，还根据实时风速和高度，计算开伞后飞行器漂移的水平距离，并自动规划开伞点坐标。