CN101893892B - 一种无人机自动伞降回收控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自动伞降回收控制方法，本发明充分利用空速、地速、俯仰角、航向角等信息，估算空中水平风速及风向，并在此基础上，根据回收场中心解算出一个开伞点，并通过副翼控制侧偏矩和升降舵控制飞行高度，引导并控制飞机达到该点开伞，完成伞降回收控制，利用本发明提供自动伞降回收控制方法，可以提高在有风的情况下飞机开伞后的回收精度，更适应复杂环境的回收要求，从而提高了飞机回收的安全性。

Description

一种无人机自动伞降回收控制方法

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说，是指一种具有开伞回收方式的无人机自动伞降回收控制方法。

背景技术

随着无人机应用技术的日益发展，无人机的回收技术也得到进一步的发展，为了提高飞机安全性，由单一回收方式逐渐向复合回收方式转变。无人机的回收方式一般有轮式滑跑回收、伞降回收、撞网回收等，这几种回收方式针对不同的无人机应用于不同的场合，通常，伞降回收方式虽然回收精度低，但相对轮式滑跑回收方式而言，对跑道、飞行控制、机载设备的要求较低，因而被广泛应用于中小型无人机。

通常，一般无人机开伞回收过程如图1所示。当无人机执行完任务后，则下降高度向预定的回收场飞行，同时进行减速，到达开伞点后，进行发动机停车，并根据测控地面站指令或自动开伞，如果有减速伞则先开减速伞，降到规定速度后再开大伞，没有减速伞则直接开伞；之后飞机自由降落，直到落地，并根据需要进行切伞，至此完成伞降回收。由于开伞后飞机不再进行控制，飞机随风飘落，其落地点受地理环境、风等的影响很大，这在很大程度上降低了伞降回收的精度，给使用人员带来不便和麻烦，特别是在回收场周围不够开阔的情况下，飞机飘落到树上或者提前落到房顶上，都会给飞机机体或设备带来一定的损害，造成经济损失。

如图1所示，一般伞降回收无人机的开伞点选取在一定的安全高度H上，并与回收场中心位置重合，在理想情况下，没有风干扰时这种方法的回收精度是较高的，但是，实际情况都会有风，尤其当风速较大时，在回收场中心点上空开伞，飞机落地点通常与回收场中心的偏差就会比较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决在有风的情况下，无人机伞降误差大，安全性低的技术问题，提出一种无人机自动伞降回收控制方法，能够使无人机在有风的情况下进行伞降，仍然具有较好的回收精度和适应能力，提高无人机伞降回收的精度，提高无人机回收的安全性。

本发明利用无人机的飞行高度、飞行速度信息，根据回收指令，自动根据回收场的风速、风向解算出开伞点位置，将无人机引导到该点进行开伞，实现自动伞降引导回收。实现无人机的自动伞降回收控制具体包括以下六个步骤：

步骤一：通过测控地面站，向无人机发送“回收”指令，进行回收场水平风速V_w、风向ψ_w的估算；

步骤二：获取开伞点A与回收场中心S的距离D；

步骤三：确定开伞点A的经度、纬度；

步骤四：将开伞点A的经度L₀、纬度B₀作为到点坐标位置输出至无人机的导航装置，导航装置解算出侧偏矩Dz和侧偏移速度

然后利用无人机的飞行高度h、升降速度

横滚角γ、横滚角速率ω_x、俯仰角θ、俯仰角速率ω_z信息，及相应的控制系数X_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz，得到副翼控制指令和升降舵控制指令，根据副翼控制指令和升降舵控制指令通过升降舵控制和副翼控制使得无人机飞向开伞点A，到达开伞点后，执行开伞，完成伞降回收。

本发明的优点在于：

(1)充分利用飞机的空速、地速及俯仰角、航向角估算出回收场的风速及风向，进而得到合适的开伞点，提高了在有风的情况下伞降回收的精度，有效提高飞机回收安全性；

(2)本发明的开伞点的计算方法是在地球坐标系下使用了地心坐标进行解算，能够提高开伞点的解算精度，从而提高导航控制的精度。

附图说明

图1是现有无人机开伞回收过程示意图；

图2是本发明中无人机伞降回收示意图；

图3是本发明的方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的无人机自动伞降回收控制方法作进一步说明。

图2为本发明中无人机自动伞降回收示意图，如2图所示，如果开伞点A与回收场中心S重合，则在风干扰的情况下，飞机开伞后会随风飘，不能落到回收场中心；通过本发明方法找到的开伞点是这样的：开伞点与回收场中心S的连线与风向平行，与北向的夹角ψ₀＝ψ_w+180度，而距离回收场中心的距离为D，

H为开伞点A高度、V_w为风速，V_y为无人机开伞后的下降速度。这时，可找到唯一一个由夹角ψ₀和距离D确定一个开伞点A。

图3为自动开伞回收控制方法流程图，本发明首先估算回收场的水平风速、风向；然后计算开伞点A与回收场中心S的距离D；然后根据D和ψ_w，解算得到开伞点A的经度L₀和纬度B₀，最后将经度L₀、纬度B₀输出给导航装置，从而获得侧偏矩和侧偏移速度，通过副翼控制侧偏矩、升降舵控制高度，从而实现将无人机引导到开伞点A开伞，完成自动伞降回收过程。

本发明的一种无人机自动伞降回收控制方法，流程图3所示，包括以下几个步骤：

步骤一：通过测控地面站，向无人机发送“回收”指令，进行回收场水平风速V_w、风向ψ_w的估算；

1)根据无人机的空速V_k、俯仰角θ、航向角ψ、东向地速V_e、北向地速V_n，获取此时空中风速的东向分量V_we、北向分量V_wn，如式(1)、(2)所示：

V_wn＝V_dn-V_k·cosθ·cosψ    (1)

V_we＝V_de-V_k·cosθ·sinψ    (2)

2)根据风速的东向分量V_we及北向分量V_wn获取风速V_w和风向ψ_w，如式(3)、(4)所示：

$V_w=\sqrt{{V_{\mathrm{wn}}}^2+{V_{\mathrm{we}}}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ψ}}_w=\mathrm{arctg}\left(\frac{V_{\mathrm{we}}}{V_{\mathrm{wn}}}\right)---\left(4\right)$

步骤二：获取开伞点A与回收场中心S的距离D；

通过无人机开伞后的下降速度V_y以及开伞点A的高度H，获取开伞点A与回收场中心S的距离D，如式(5)所示：

$D=\frac{H\·V_w}{V_y}---\left(5\right)$

步骤三：确定开伞点A的经度、纬度；

通过回收场中心S的经度L₁、纬度B₁、风向ψ_w、开伞点A与回收场中心S的距离D，获取开伞点A的经度L₀、纬度B₀，如式(6)、(7)所示：

开伞点A的纬度B₀为：

式中，

B_C1为回收场中心S的地心纬度，

B₁为回收场中心S的纬度；

R_长为地球长半轴，R_长6378137.0m；

R_短为地球短半轴，R_长＝6356752.3m；

E_D为地球椭偏度，E_D＝0.003352811(1/298.25722)；

开伞点A的经度L₀为：

式中，

L₁为回收场中心S的经度；

$\mathrm{\ΔL}=\frac{D\sin {\mathrm{\ψ}}_w}{R_p\cos B_{C1}};$

步骤四：将开伞点A的经度L₀、纬度B₀作为到点坐标位置输出至无人机的导航装置，导航装置解算出侧偏矩Dz和侧偏移速度

然后利用无人机的飞行高度h、升降速度

横滚角γ、横滚角速率ω_x、俯仰角θ、俯仰角速率ω_z信息，及相应的控制系数K_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz，得到副翼控制指令和升降舵控制指令，如式(8)、(9)所示：

${\mathrm{\δ}}_x=K_{\mathrm{\γ}}[\mathrm{\γ}+k_{g1}(k_{g2}\mathrm{Dz}+\stackrel{\·}{D}z)]+K_{\mathrm{\ωx}}{\mathrm{\ω}}_x---\left(8\right)$

${\mathrm{\δ}}_z=K_{\mathrm{\θ}}[\mathrm{\θ}-K_h(H-h)+K_{\mathrm{hI}}{\∫}_0^t(H-h)\mathrm{dt}+K_{\mathrm{hz}}\stackrel{\·}{h}]+K_{\mathrm{\ωz}}{\mathrm{\ω}}_z---\left(9\right)$

其中，δ_x为副翼控制指令，δ_z为升降舵控制指令，K_γ为滚转角控制系数，k_g1为侧偏移速度控制系数，k_g2为侧偏距控制系数，K_θ为俯仰角控制系数，K_h为高度控制系数、K_hI为高度积分控制系数、K_hd为高度微分控制系数、K_ωz为俯仰角速率控制系数；

根据副翼控制指令和升降舵控制指令通过升降舵控制和副翼控制使得无人机飞向开伞点A，到达开伞点后，执行开伞，完成伞降回收。

在步骤四中，所述的控制系数K_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz的获取方法为：

根据无人机的气动数据建立相应的全量数学模型，并依据小扰动线性化方法得到相应的线性化方程，利用控制理论中的经典控制方法选取控制系数K_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz，然后利用无人机全量数学模型验证所设计的控制结构和控制参数是否能够使得***满足控制要求，如果满足***，则获得控制系数，如果不满足，重新选取。其中，建立无人机全量数学模型、小扰动线性化方法以及经典控制方法在飞控专业相关书籍中均有详细描述。

本发明所述的无人机自动伞降回收控制方法，充分利用无人机的俯仰角、航向角、空速、地速信息，估算出回收场的水平风速、风向，进而根据回收场中心S、找到一个适合的开伞点A，通过副翼控制和升降舵控制，使得飞机在该点开伞，提高了在有风的情况下飞机开伞后的回收精度，更适应复杂环境的回收要求，从而提高了飞机回收的安全性。

Claims (2)

1.一种无人机自动伞降回收控制方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：通过测控地面站，向无人机发送“回收”指令，进行回收场水平风速V_w、风向ψ_w的估算；

步骤二：获取开伞点A与回收场中心S的距离D；

步骤三：确定开伞点A的经度、纬度；

步骤四：将开伞点A的经度L₀、纬度B₀作为到点坐标位置输出至无人机的导航装置，导航装置解算出侧偏矩Dz和侧偏移速度

然后利用无人机的飞行高度h、升降速度

横滚角γ、横滚角速率ω_x、俯仰角θ、俯仰角速率ω_z信息，及相应的滚转角控制系数K_γ、侧偏移速度控制系数k_g1、侧偏距控制系数k_g2、俯仰角控制系数K_θ、高度控制系数K_h、高度积分控制系数K_hI、高度微分控制系数K_hd、俯仰角速率控制系数K_ωz，得到副翼控制指令和升降舵控制指令；根据副翼控制指令和升降舵控制指令通过升降舵控制和副翼控制使得无人机飞向开伞点A，到达开伞点后，执行开伞，完成伞降回收；

所述步骤一通过测控地面站，向无人机发送“回收”指令，进行回收场水平风速V_w、风向ψ_w的估算具体为：

1)根据无人机的空速V_k、俯仰角θ、航向角ψ、东向地速V_e、北向地速V_n，获取此时空中风速的东向分量V_we、北向分量V_wn，如下所示：

V_wn＝V_n-V_k·cosθ·cosψ(1)

V_we＝V_e-V_k·cosθ·sinψ(2)

2)根据风速的东向分量V_we及北向分量V_wn获取风速V_w和风向ψ_w，如下所示：

$V_w=\sqrt{{V_{\mathrm{wn}}}^2+{V_{\mathrm{we}}}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ψ}}_w=\mathrm{arctg}\left(\frac{V_{\mathrm{we}}}{V_{\mathrm{wn}}}\right)---\left(4\right)$

所述步骤二获取开伞点A与回收场中心S的距离D具体为：

通过无人机开伞后的下降速度V_y以及开伞点A的高度H，获取开伞点A与回收场中心S的距离D，如下所示：

$D=\frac{H\·V_w}{V_y}---\left(5\right)$

所述步骤三具体为：

通过回收场中心S的经度L₁、纬度B₁、风向ψ_w、开伞点A与回收场中心S的距离D，获取开伞点A的经度L₀、纬度B₀，如下所示：

开伞点A的纬度B₀为：

式中，

B_C1为回收场中心S的地心纬度，

B₁为回收场中心S的纬度；

R_长为地球长半轴，R_长＝6378137.0m；

R_短为地球短半轴，R_短＝6356752.3m；

E_D为地球椭偏度，E_D＝0.003352811(1/298.25722)；

开伞点A的经度L₀为：

式中，

L₁为回收场中心S的经度；

$\mathrm{\ΔL}=\frac{{D\sin \mathrm{\ψ}}_w}{R_p\cos B_{C1}}$

所述步骤四副翼控制指令和升降舵控制指令具体为：

${\mathrm{\δ}}_x=K_{\mathrm{\γ}}[\mathrm{\γ}+k_{g1}(k_{g2}\mathrm{Dz}+\stackrel{\·}{D}z)]+K_{\mathrm{\ωx}}{\mathrm{\ω}}_x---\left(8\right)$

${\mathrm{\δ}}_z=K_{\mathrm{\θ}}[\mathrm{\θ}-K_h(H-h)+K_{\mathrm{hI}}{\∫}_0^t(H-h)\mathrm{dt}+K_{\mathrm{hd}}\stackrel{\·}{h}]+K_{\mathrm{\ωz}}{\mathrm{\ω}}_z---\left(9\right)$

其中，δ_x为副翼控制指令，δ_z为升降舵控制指令，K_γ为滚转角控制系数，k_g1为侧偏移速度控制系数，k_g2为侧偏距控制系数，K_θ为俯仰角控制系数，K_h为高度控制系数、K_hI为高度积分控制系数、K_hd为高度微分控制系数、K_ωz为俯仰角速率控制系数。

2.根据权利要求1所述的一种无人机自动伞降回收控制方法，其特征在于：所述步骤四中，控制系数K_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz的获取方法为：

根据无人机的气动数据建立相应的全量数学模型，并依据小扰动线性化方法得到相应的线性化方程，利用控制理论中的经典控制方法选取控制系数K_γ、k_g1、k_g2、K_θ、K_h、K_hI、K_hd、K_ωz，然后利用无人机全量数学模型验证所设计的控制结构和控制参数是否能够使得***满足控制要求，如果满足，则获得控制系数，如果不满足，重新选取。

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