CN113176785B - 一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，包括所述的设计方法按照以下步骤：步骤一：A、降落航线进入阶段；步骤二：B、盘旋跟随阶段；步骤三：C、模式切换阶段；步骤四：D、进场阶段；步骤五：E、降落阶段，本发明提出了垂直起降无人机的航线设计方法，为其自动着舰提供了必要前提，大大提高了垂直起降无人机自动着舰的安全性；采用从舰船左舷进场的方式，适用于不同舰船的不同位置的降落点的自动着舰；无人机在距离舰船较近的位置进行固定翼转旋翼模式的切换，可有效减少电量消耗，有利于增加航程航时。

Description

一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法
技术领域
本发明涉及舰载无人机领域，特别涉及一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法。
背景技术
舰载无人机在执行海上勘探、空中侦察或远程打击任务时，相比于传统有人舰载无人机体积更小、自主性更强，具有灵活的作业能力、可全天候在高空缺氧等恶劣环境中工作，在现代民用渔船和海军中有着至关重要的作用。
但无人机舰载降落存在诸多难点，着舰环境十分恶劣，受海风影响舰船存在六个自由度运动：俯仰、偏摆、滚转、沉浮、横荡和纵荡。其中俯仰和沉浮主要导致甲板的垂向线运动，舰船的偏摆和滚转主要导致甲板的横向线运动，使甲板总处于不规则的颠簸运动之中。大型舰船受风浪影响小，运动幅度小，但对于中小型舰船运动幅度的影响则大得多。舰体前行时，海浪所造成的舰体三自由度偏摆及垂直起伏运动，将会使舰载无人机的预期着舰点变成一个三维空间上的活动点，增大无人机舰载降落难度。同时，舰船甲板可供舰载无人机降落的空间有限，对无人机舰载降落精度要求很高。受舰船甲板长度及舰船上存在较多大型设备限制，无人机难以在普通舰船上实现滑跑起降，一旦舰载无人机降落失败，无论是复飞失败坠海还是冲进舰船停留区发生事故，都会造成巨大的经济和资源损失，具有垂直起降性能的无人机降落时所需空间相对较小，具有较小的降落速度，更加适合舰载降落，因此垂直起降无人机必将是未来舰载无人机的发展方向，在垂直起降无人机的自动着舰过程中，没有无人机驾驶员的实时操作控制，无人机需根据地面站输入的控制参数及相应指令自动完成自动着舰。因此，如何进行垂直起降无人机的航线设计是实现垂直起降无人机自动着舰需要解决的重要问题，目前无人机的自动着舰航线大多采用从舰船尾部进入的方法，此类方法限制了无人机只能在停机坪位于舰船后方的情况，对于停机坪因甲板设备布置不一致导致的停机坪位于舰船前方或后方的情况无法满足自动着舰。
而且通常无人机的降落航线的设计会参考有人机的五边航线飞行方式，但基于垂直起降无人机具有垂直起降的功能，故需要进行全新的航线设计方案。大多数垂直起降无人机的降落航线均为离降落点有一段较大距离后由固定翼模式转换为旋翼模式，并在旋翼模式下不断飞向降落点完成降落，此类方法耗时较长，且旋翼模式下耗电远大于固定翼模式，会明显缩短无人机的航程航时。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，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：一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，包括所述的设计方法按照以下步骤：
步骤一：A、降落航线进入阶段，无人机由作业状态飞向舰船，此阶段无人机以固定翼方式飞行，并将航向调整至与舰船行驶方向一致；
步骤二：B、盘旋跟随阶段，无人机进入盘旋跟随调整阶段，此阶段无人机以固定翼方式飞行，无人机盘旋圆心与舰船行驶轨迹平行，在盘旋跟随阶段中，不断调整无人机的飞行速度及高度直至满足模式切换条件；
步骤三：C、模式切换阶段，无人机进入模式切换阶段，无人机以固定翼方式飞行至与降落点纵向距离80m处从步骤一中的固定翼模式切换至旋翼模式，并飞至与舰船降落点左边纵向位置一致处；
步骤四：D、进场阶段，无人机进场阶段，以旋翼模式飞行，保持与舰船行驶速度一致的同时不断向右飞行，直至飞至甲板降落点的正上方；
步骤五：E、降落阶段，无人机进入降落阶段，此阶段无人机以旋翼模式飞行，此阶段无人机会根据降落点的运动速度、舰船的姿态进行不断调整，并逐渐下降，直至降落至舰船降落点。
优选的，所述步骤一中当无人机成功进入降落航线进入阶段(A)并完成调整飞行航向与舰船行驶速度(V0)方向一致。
优选的，步骤二中盘旋跟随阶段，无人机将以固定翼进行盘旋飞行，无人机盘旋飞行的各个盘旋点连线与舰船行驶轨迹平行，且盘旋点随着舰船的向前行驶不断向前移动，无人机在盘旋过程中不断降高致离降落点50m高度，速度降低至无人机的最小机动速度，以保证无人机在准备进行模式切换时的初始速度尽可能小的前提下满足无人机固定翼下的机动性。
优选的，所述步骤三中模式切换阶段，在此阶段无人机在固定翼模式下以最小机动速度飞行至与降落点纵向距离80m处，然后进行固定翼模式转旋翼模式的切换，转换完成后以旋翼模式不断下降，高至离降落点5m处，横向距离降落点5m处。
优选的，所述步骤四中进场阶段，无人机在地面坐标系下的前向速度保持不变，即舰船行驶速度(V0)，横向移动的初始速度为零，因此在横向移动过程中要先加速再减速，设t时刻的横向移动速度为Vc，在t＝0.5t1(为横向移动的总时间)时达到最大值，然后开始减速，在到达飞行甲板正上方即时t＝t1，Vc减为零，飞行器在地面坐标系下的合速度与前进速度Vc的夹角：
Figure BDA0003077277160000031
其中横向速度：
Figure BDA0003077277160000032
由于V0不变而Vc先增大后减小，所以θω先增大后减小；θω同时也是飞行轨迹切线与舰船前进方向的夹角，所以这一阶段的飞行轨迹是一条S形的曲线。此阶段以旋翼模式在保持前进速度与舰船一致的情况下，横向右移，从舰船左舷进入舰船并停留在降落点正上方5m处。
优选的，所述步骤五中此阶段无人机保持与舰船同向同速的同时不断调整无人机姿态保证与降落点的沉浮、纵摇、横摇运动同步，下降过程依然需要先加速再减速，在t＝0.5td(td为下降过程所用时间)时达到最大下降速度，然后开始减速，快要接触飞行甲板时下降速度减为零，并伺机下降着舰，着舰后立即对无人机进行断电与固定操作，防止无人机着舰后移动造成不必要的损失。
本发明的技术效果和优点：
(1)提出了垂直起降无人机的航线设计方法，为其自动着舰提供了必要前提，大大提高了垂直起降无人机自动着舰的安全性；
(2)采用从舰船左舷进场的方式，适用于不同舰船的不同位置的降落点的自动着舰；
(3)无人机在距离舰船较近的位置进行固定翼转旋翼模式的切换，可有效减少电量消耗，有利于增加航程航时。
附图说明
图1为本发明俯视图示意图；
图2为本发明左侧示意图；
图3为本发明无人机横向进入舰船轨迹示意图。
其中，A、降落航线进入阶段；B、盘旋跟随阶段；C、模式切换阶段；D、进场阶段；E、降落阶段；V0、舰船行驶速度。
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。
本发明提供了如图1-3所示的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，包括的设计方法按照以下步骤：
步骤一：A、降落航线进入阶段，无人机由作业状态飞向舰船，此阶段无人机以固定翼方式飞行，并将航向调整至与舰船行驶方向一致；
步骤二：B、盘旋跟随阶段，无人机进入盘旋跟随调整阶段，此阶段无人机以固定翼方式飞行，无人机盘旋圆心与舰船行驶轨迹平行，在盘旋跟随阶段中，不断调整无人机的飞行速度及高度直至满足模式切换条件；
步骤三：C、模式切换阶段，无人机进入模式切换阶段，无人机以固定翼方式飞行至与降落点纵向距离80m处从步骤一中的固定翼模式切换至旋翼模式，并飞至与舰船降落点左边纵向位置一致处；
步骤四：D、进场阶段，无人机进场阶段，以旋翼模式飞行，保持与舰船行驶速度一致的同时不断向右飞行，直至飞至甲板降落点的正上方；
步骤五：E、降落阶段，无人机进入降落阶段，此阶段无人机以旋翼模式飞行，此阶段无人机会根据降落点的运动速度、舰船的姿态进行不断调整，并逐渐下降，直至降落至舰船降落点。
步骤一中当无人机成功进入降落航线进入阶段(A)并完成调整飞行航向与舰船行驶速度(V0)方向一致。
其中，步骤二中盘旋跟随阶段，无人机将以固定翼进行盘旋飞行，无人机盘旋飞行的各个盘旋点连线与舰船行驶轨迹平行，且盘旋点随着舰船的向前行驶不断向前移动，无人机在盘旋过程中不断降高致离降落点50m高度，速度降低至无人机的最小机动速度，以保证无人机在准备进行模式切换时的初始速度尽可能小的前提下满足无人机固定翼下的机动性。
进一步地，步骤三中模式切换阶段，在此阶段无人机在固定翼模式下以最小机动速度飞行至与降落点纵向距离80m处，然后进行固定翼模式转旋翼模式的切换，转换完成后以旋翼模式不断下降，高至离降落点5m处，横向距离降落点5m处。
更进一步地，步骤四中进场阶段，无人机在地面坐标系下的前向速度保持不变，即舰船行驶速度(V0)，横向移动的初始速度为零，因此在横向移动过程中要先加速再减速，设t时刻的横向移动速度为Vc，在t＝0.5t1(为横向移动的总时间)时达到最大值，然后开始减速，在到达飞行甲板正上方即时t＝t1，Vc减为零，飞行器在地面坐标系下的合速度与前进速度Vc的夹角：
Figure BDA0003077277160000061
其中横向速度：
Figure BDA0003077277160000062
由于V0不变而Vc先增大后减小，所以θω先增大后减小；θω同时也是飞行轨迹切线与舰船前进方向的夹角，所以这一阶段的飞行轨迹是一条S形的曲线。此阶段以旋翼模式在保持前进速度与舰船一致的情况下，横向右移，从舰船左舷进入舰船并停留在降落点正上方5m处。
优选地，步骤五中此阶段无人机保持与舰船同向同速的同时不断调整无人机姿态保证与降落点的沉浮、纵摇、横摇运动同步，下降过程依然需要先加速再减速，在t＝0.5td(td为下降过程所用时间)时达到最大下降速度，然后开始减速，快要接触飞行甲板时下降速度减为零，并伺机下降着舰，着舰后立即对无人机进行断电与固定操作，防止无人机着舰后移动造成不必要的损失；
综合所示：以上实施例中的航线设计方法从舰船左舷进入甲板上方，解决了因不同舰船的布置方案不一致导致的停机坪位置不一致的问题，航线设计方法在无人机以固定翼方式飞行至与降落点纵向距离80m处切换至旋翼模式，避免了在无人机由固定翼模式转换为旋翼模式时具有一定速度导致超过降落点以至于还需在旋翼模式下退回到降落点，本设计方法使得旋翼模式下的时间尽可能少，减少无人机的电量消耗，保证无人机的飞行安全，航线设计方法采用固定翼跟随舰船航迹盘旋的方式使无人机可以在短距离内完成降低高度、调整速度、调整航向的操作，减小了无人机在接近舰船时的风险。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，包括所述的设计方法按照以下步骤：
步骤一：A、降落航线进入阶段，无人机由作业状态飞向舰船，此阶段无人机以固定翼方式飞行，并将航向调整至与舰船行驶方向一致；
步骤二：B、盘旋跟随阶段，无人机进入盘旋跟随调整阶段，此阶段无人机以固定翼方式飞行，无人机盘旋圆心与舰船行驶轨迹平行，在盘旋跟随阶段中，不断调整无人机的飞行速度及高度直至满足模式切换条件；
步骤三：C、模式切换阶段，无人机进入模式切换阶段，无人机以固定翼方式飞行至与降落点纵向距离80m处从步骤一中的固定翼模式切换至旋翼模式，并飞至与舰船降落点左边纵向位置一致处；
步骤四：D、进场阶段，无人机进场阶段，以旋翼模式飞行，保持与舰船行驶速度一致的同时不断向右飞行，直至飞至甲板降落点的正上方；
步骤五：E、降落阶段，无人机进入降落阶段，此阶段无人机以旋翼模式飞行，此阶段无人机会根据降落点的运动速度、舰船的姿态进行不断调整，并逐渐下降，直至降落至舰船降落点。
2.根据权利要求1所述的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，所述步骤一中当无人机成功进入降落航线进入阶段A并完成调整飞行航向与舰船行驶速度V0方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，步骤二中盘旋跟随阶段，无人机将以固定翼进行盘旋飞行，无人机盘旋飞行的各个盘旋点连线与舰船行驶轨迹平行，且盘旋点随着舰船的向前行驶不断向前移动，无人机在盘旋过程中不断降高致离降落点50m高度，速度降低至无人机的最小机动速度，以保证无人机在准备进行模式切换时的初始速度尽可能小的前提下满足无人机固定翼下的机动性。
4.根据权利要求1所述的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，所述步骤三中模式切换阶段，在此阶段无人机在固定翼模式下以最小机动速度飞行至与降落点纵向距离80m处，然后进行固定翼模式转旋翼模式的切换，转换完成后以旋翼模式不断下降，高至离降落点5m处，横向距离降落点5m处。
5.根据权利要求1所述的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，所述步骤四中进场阶段，无人机在地面坐标系下的前向速度保持不变，即舰船行驶速度V0，横向移动的初始速度为零，因此在横向移动过程中要先加速再减速，设t时刻的横向移动速度为Vc，t1为横向移动的总时间，在t＝0.5t1时达到最大值，然后开始减速，在到达飞行甲板正上方即时t＝t1，Vc减为零，飞行器在地面坐标系下的合速度与前进速度Vc的夹角：
Figure FDA0003884423120000021
其中横向速度：
Figure FDA0003884423120000022
由于V0不变而Vc先增大后减小，所以θω先增大后减小；θω同时也是飞行轨迹切线与舰船前进方向的夹角，所以这一阶段的飞行轨迹是一条S形的曲线；此阶段以旋翼模式在保持前进速度与舰船一致的情况下，横向右移，从舰船左舷进入舰船并停留在降落点正上方5m处。
6.根据权利要求1所述的一种舰载垂直起降无人机自动着舰航线设计方法，其特征在于，所述步骤五中此阶段无人机保持与舰船同向同速的同时不断调整无人机姿态保证与降落点的沉浮、纵摇、横摇运动同步，下降过程依然需要先加速再减速，td为下降过程所用时间，在t＝0.5td时达到最大下降速度，然后开始减速，快要接触飞行甲板时下降速度减为零，并伺机下降着舰，着舰后立即对无人机进行断电与固定操作，防止无人机着舰后移动造成不必要的损失。
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