一种无人机自主返航的方法与流程

本发明涉及一种自主返航的方法，尤其涉及一种无人机自主返航的方法。

背景技术：

无人机返航涉及到各类传感器，其中加速度计用于测量无人机在三轴方向的线加速度，陀螺仪用于测量无人机围绕三轴的角速度，磁力计测试磁场强度及方向，气压计通过测量大气压强的变化来确定高度，红外测距传感器用于测试与障碍物的距离等。

当无人机的各传感器均失效状态下，无人机无法确认航线等信息，因此无法实现返航，而本案基于无人机的卫星定位系统，致力于单独利用卫星定位系统实现安全返航的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，针对当各传感器失效后无人机无法安全返航的问题，提供一种无人机自主返航的方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种无人机自主返航的方法，无人机由当前位置移动至第一偏移位置，计算出当前位置与遥控端位置的距离、第一偏移位置与遥控端位置的距离及当前位置与第一偏移位置的距离，通过以上三个距离数据计算出在第一偏移位置处当前位置至第一偏移位置的飞行方向与遥控端的初始偏角，

电调模块调整无人机的航向沿顺时针方向或逆时针方向偏转，偏转角度与初始偏角之和不大于180°，由第一偏移位置移动至第二偏移位置，计算出第一偏移位置与遥控端位置的距离、第二偏移位置与遥控端位置的距离及第一偏移位置与第二偏移位置的距离，通过以上三个距离数据计算出在第二偏移位置处第一偏移位置至第二偏移位置的飞行方向与遥控端的终端偏角，

通过初始偏角与终端偏角对比，确认无人机的航向转向方向，电调模块根据飞行方向与遥控端的偏角调整无人机的航向。

进一步地，电调模块调整无人机的航向偏转初始偏角的角度数，再由第一偏移位置移动至第二偏移位置，

如果第一偏移位置与遥控端位置的距离等于第二偏移位置与遥控端位置的距离和第一偏移位置与第二偏移位置的距离之和，那么无人机的航向偏转方向正确，

如果仍然存在终端偏角时，那么无人机的航向偏转方向错误，电调模块按照原偏转方向相反的转向调整无人机的航向，偏转角度为终端偏角的角度，

如果第二偏移位置与遥控端位置的距离等于第一偏移位置与遥控端位置的距离和第一偏移位置与第二偏移位置的距离之和，那么无人机的航向处于反向状态，电调模块调整无人机的航向反向。

进一步地，无人机位置与遥控端位置的距离计算为，

地心为O、无人机位置的地表投射点为B、遥控端位置为A、A至地轴的垂直节点为C、B与地轴的平行线上具有一节点D，CD垂直于地轴，BD所在轴线与赤道的交点为E，其中B的经度为j2、纬度为w2，A的经度为j1、纬度为w1，地球半径为R；

根据三角形余弦定理，就能算出A、B两点与地心O形成的夹角θ：

θ=arccos[cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) + sinw1*sinw2]

△ACD中，AC=R* cosw1；DC=R* cosw2；∠ACD= j1 – j2；

根据余弦定理：AD²= (R* cosw1)² + (R* cosw2)² – 2R²cosw1*cosw2*cos(j1 – j2)

又DB = DE + BE = R* sinw1 + R*sinw2

而△ABD为直角三角形，所以

AB² = AD²+ DB²= 2R²– 2R²* cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) +2R2* sinw1*sinw2

在△AOB中，AO = BO=R，因此有余弦定理可得：

cosθ= cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) + sinw1*sinw2

A、B两点之间的距离为：。

本发明的有益效果主要体现在：

1.当无人机各传感器失效后，单独通过卫星导航系统即可完成安全返航；

2.通过无人机的位置信息与遥控端的位置信息对比、以及电调模块的调试实现航向确认，最终实现无人机基于卫星导航系统的安全返航；

3.各项计算数据信息量小，计算速度快，航向确认响应迅速有效；

4.提高了航行的安全性。

附图说明

图1是本发明中终端偏角γ角度大于初始偏角α角度时的结构示意图；

图2是本发明中终端偏角γ角度小于初始偏角α角度时的结构示意图；

图3是无人机和遥控端位于地球上的示意图；

图4是图3的展开示意图。

具体实施方式

本发明提供一种无人机自主返航的方法。以下结合附图对本发明技术方案进行详细描述，以使其更易于理解和掌握。

一种无人机自主返航的方法，如图1至图4所示，无人机由当前位置1移动至第一偏移位置2，计算出当前位置1与遥控端位置4的距离、第一偏移位置2与遥控端位置4的距离及当前位置1与第一偏移位置2的距离，通过以上三个距离数据可分别计算出三个角的角度，获得在第一偏移位置处当前位置1至第一偏移位置2的飞行方向与遥控端位置4的初始偏角α。而电调模块任意调整无人机的航向，沿顺时针方向或逆时针方向偏转，偏转角度β与初始偏角α之和不大于180°，针对四翼无人机，即通过调整其中一组翼的转速，加速或减速一定时间进行转向角度调整，调整后，由第一偏移位置2移动至第二偏移位置3，计算出第一偏移位置2与遥控端位置4的距离、第二偏移位置3与遥控端位置4的距离及第一偏移位置2与第二偏移位置3的距离，通过以上三个距离数据计算出在第二偏移位置处第一偏移位置至第二偏移位置的飞行方向与遥控端的终端偏角γ，通过初始偏角与终端偏角对比，确认无人机的航向转向方向，电调模块根据飞行方向与遥控端的偏角调整无人机的航向。

具体地，如图1所示，当终端偏角γ角度大于初始偏角α角度时，无人机的航向转向反向错误，此时电调模块调整无人机的航向反向转动终端偏角的角度即完成航向的矫正；如图2所示，当终端偏角γ角度小于初始偏角α时，无人机的航向转向正确，此时电调模块调整无人机的航向按原方向转动终端偏角的角度即完成航向的矫正。航向矫正后无人机即朝向遥控端位置4返航。

优选实施例中，电调模块调整无人机的航向偏转初始偏角α的角度数，此情况下，偏转角度β与初始偏角α之和不作限定，再由第一偏移位置2移动至第二偏移位置3，如果第一偏移位置2与遥控端位置4的距离等于第二偏移位置3与遥控端位置4的距离和第一偏移位置2与第二偏移位置3的距离之和，那么无人机的航向偏转方向正确，航向为朝向遥控端位置，即返航方向。

如果仍然存在终端偏角时，那么无人机的航向偏转方向错误，电调模块按照原偏转方向相反的转向调整无人机的航向，偏转角度为终端偏角的角度，经偏转后的航向为返航方向。

如果第二偏移位置与遥控端位置的距离等于第一偏移位置与遥控端位置的距离和第一偏移位置与第二偏移位置的距离之和，那么无人机的航向处于反向状态，及航向与返航方向完全反向了，通过电调模块调整无人机的航向反向即可，顺时针方向或逆时针方向旋转180°即可，航向纠正后即可安全返航。

以下为无人机位置与遥控端位置的距离计算：

如图3和图4所示，其中图3无人机和遥控端位于地球上的示意图，而图4是图3的展开图，地心为O、无人机位置的地表投射点为B、遥控端位置为A、A至地轴的垂直节点为C、B与地轴的平行线上具有一节点D，CD垂直于地轴，BD所在轴线与赤道的交点为E，其中B的经度为j2、纬度为w2，A的经度为j1、纬度为w1；w为纬度，范围-90°~﹢90°，通常北纬取正，南纬取负；j为经度，范围-180°~﹢180°，通常东经取正，西经取负，l为地轴，MO，NO为赤道平面与两经线平面的相交线。地球半径为R。

根据三角形余弦定理，就能算出A、B两点与地心O形成的夹角θ：

θ=arccos[cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) + sinw1*sinw2]

△ACD中，AC=R* cosw1；DC=R* cosw2；∠ACD= j1 – j2；

根据余弦定理：AD²= (R* cosw1)² + (R* cosw2)² – 2R²cosw1*cosw2*cos(j1 – j2)

又DB = DE + BE = R* sinw1 + R*sinw2

而△ABD为直角三角形，所以

AB² = AD²+ DB²= 2R²– 2R²* cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) +2R2* sinw1*sinw2

在△AOB中，AO = BO=R，因此有余弦定理可得：

cosθ= cosw1*cosw2*cos(j1 – j2) + sinw1*sinw2

A、B两点之间的距离为：。

由于地表周长很长，因此AB之间的距离弧度可忽略不计。

需要说明的是，计算的主体为无人机或遥控端，当主体为无人机时，此时仅需要将遥控端的地理位置信息发送至无人机即可，由无人机自行计算和飞控，也可以由遥控端完成计算，此时需要无人机向地面报告自己的位置信息，遥控端计算后，将飞行控制命令发送至无人机，无人机根据飞行控制命令完成航向调整及返航。

通过以上描述可以发现，本发明揭示了一种无人机自主返航的方法，当无人机各传感器失效后，单独通过卫星导航系统即可完成安全返航；通过无人机的位置信息与遥控端的位置信息对比、以及电调模块的调试实现航向确认，最终实现无人机基于卫星导航系统的安全返航；各项计算数据信息量小，计算速度快，航向确认响应迅速有效；提高了航行的安全性。

以上对本发明的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本发明的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本发明的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。