一种伞降无人机自主回收方法
【专利摘要】本发明提供了一种伞降无人机自主回收方法，将降落地点、进入角和回收高度发送给无人机；无人机自动规划并执行回收航线；接近回收点时，将发动机停车后的运动划分为滑行段、拉停段、漂移段，飞控程序自动查询当时无人机重量、速度、海拔高度、风场等条件，计算出停车、开伞位置；自主执行停车、开伞指令。本发明使伞降模型能适应从低海拔直至青藏高原5000千米以上的所有海拔高度，降低了对飞行控制精度、时间准确度的要求，提高了回收精度，节省了对测风设备及人员的需求，免除了人员的测风、计算、操纵负担，使无人机操纵变得简单方便。
【专利说明】
一种伞降无人机自主回收方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无人机领域，尤其涉及伞降无人机回收方法。
【背景技术】
[0002] 伞降无人机具有不需要跑道、回收场地要求低等优点，应用范围越来越广。回收流 程通常是先根据周边地形选取回收地点、进入方向，然后根据飞行高度、速度、风速、风向、 伞降速度估计出停车位置和开伞位置，进而规划出回收航线，最后控制无人机按航线飞行， 并适时发出停车、开伞指令。
[0003] 其中的航线规划、飞行控制等过程都要求操纵人员有丰富的操控经验，对无人机 高度、速度、航迹等状态的控制都要求十分精确，风速、风向的测量及时准确，对停车、开伞 指令的发送时机把握精准。即使如此，也很难避免因判断失误、风场扰动等不确定因素导致 落点偏差，造成机体受损。
[0004] 公开号为CN104991565A的专利提出一种自主回收的策略，但内容多局限于对进入 条件的判断，如是位置、高度、空速、航迹偏差是否满足预设条件。而对降落准确度影响最大 的风场问题，仅作理想化处理。如将停车点到开伞点的过程认为速度、高度不变，将开伞后 的下降过程简化为匀速下降。
[0005] 申请号为CN201010225088.9的专利中，也是将伞降过程简化为匀速下降。
[0006]公开号为CN104163244A的专利将回收阶段分为:无动力飞行段、滑行段、漂移段， 根据人工测量的风速、风向及已知的无人机状态，快速计算出无人机离预定落点的停车距 离、开伞时刻、方位。该方法大大提高了无人机回收安全性，提高了无人机的使用效能。
[0007] 以上方法都是由地面人员规划出航线，然后向无人机发出指令，时效性差，难以适 应随时变化的无人机状态、风场变化等不确定因素；要求精确控制无人机姿态、速度、进入 角度，对操纵人员的技能要求很高;采用固定的伞降速度，难以适应不同海拔不同空气密度 下的伞降要求。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自主伞降回收方法，能减少气象保障 设备和人员，适应不同海拔高度，彻底解放飞行操纵人员，而且能根据飞行状态、风速、风 向，准确的把握停车、开伞时刻。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[00?0]步骤1:将设定的降落点Dq(xq，y〇)、回收高度H、进入角A与回收指令发送给无人机；
[0011] 步骤2、从降落点0心〇,7())向进入角4的反方向（4+180°)延伸31〇11，作为降高点〇1， 无人机绕降高点〇:盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向D Q(XQ，y0);
[0012] 步骤3、距离降落点D〇(x〇，y())2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度 H〇、风速vw和风向Aw;
[0013] 步骤4、将回收阶段划分为滑行段、拉停段和漂移段；
[0014] 所述滑行段tl是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，滑行段无人机的高度下 降dHi = 0，水平前进距离Li = vti+Vwticos (A-Aw);
[0015] 所述拉停段t2是从伞舱盖打开到无人机空速降为零的时间段，拉停段无人机的高 度下降dH2,前冲距离L 2 = L^ + L2〃，其中，L，是无风情况下前冲距离，
L2〃是风对前冲距离的影响，L2〃 = Vwt2C0 s ( A-Aw );
[0016] 所述漂移段t3是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地的时间段，漂移段无 人机水平运动方向相对空气运动为零，距离L3 = vwt3;其中，下降时间t3 = (H-dHi_dH2)/VL， 下降速度Vl由降落时垂直方向的受力mg = 0.5VL2pCA决定，g为重力加速度，P为空气密度，C 为降落伞阻力系数，A为降落伞面积；
[0017]步骤5、根据预定降落点〇0(10,70)反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点〇4(1， y)，其中，x = x〇+dx，y = yo+dy，dx = L3C〇s(Aw+180)，dy = L3sin(Aw+180);
[0018] 步骤6、从飞机当前位置，直线飞向D4(x，y)点;在与D4(x，y)点距离为^+"的出点发 动机停车，与D4(x，y)点距尚为L2的D3点开伞。
[0019] 所述的进入角A确保无人机逆风进入，且减小与风向的夹角。
[0020] 本发明的有益效果是：引入不同海拔高度、不同余油重量条件下的伞降速度，采用 试验数值双线性差值的方法预估拉停段前冲距离，使伞降模型能适应从低海拔直至青藏高 原5000千米以上的所有海拔高度;无人机自主生成并执行回收航线，降低了对飞行控制精 度、时间准确度的要求，提高了回收精度;采用空速与地速矢量三角形推算风速、风向的方 法，节省了对测风设备及人员的需求。
[0021] 同时本方法由无人机自主完成，免除了人员的测风、计算、操纵负担，使无人机操 纵变得简单方便。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的回收航线示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0024] 本发明所涉方法步骤如下:人工选择降落地点、进入角和回收高度(停车点距离地 面的绝对高度），发送给无人机;无人机自动规划并执行出回收航线;接近回收点时，将发动 机停车后的运动划分为滑行段、拉停段、漂移段，飞控程序自动查询当时无人机重量、速度、 海拔高度、风场等条件，计算出停车、开伞位置；自主执行停车、开伞指令。具体包括以下步 骤：
[0025]步骤1:人工选择降落点DoUojo)、回收高度H、进入角A(-般选择逆风进入，且与 风向夹角尽量小，以利于降落伞张开），随同"回收"指令发送给无人机；
[0026]步骤2:无人机收到"回收"指令后，从降落点DoUojo)向进入角A的反方向（A+ 180°)延伸3km，作为降高点Di，盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向DQ(XQ，y 0);
[0027] 步骤3:距离降落点Do(xo，y())2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度 Ho、风速Vw、风向Aw。其中：
[0028] m:由飞机空载重量(含降落伞)与油量之和；
[0029] V:由机上空速传感器测得；
[0030] 、Aw:通过地速、空速、风速的矢量三角形计算得出；
[0031] Ho:无人机起飞点的海拔高度；
[0032]步骤4:划分回收阶段；
[0033] 步骤4.1:滑行段tl，指的是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，此阶段时间 为11 = 2秒，因时间很短，可近似认为空速下降dv = 0，高度下降(1? = 0;水平前进距离为1^ = vti+VwtcosU-Aw)。这里进入角A与风向Aw的夹角很小，所以仅考虑风在航线方向的分量。
[0034] 步骤4.2:拉停段t2,指的是从伞舱盖打开、抛出引导伞、牵出并张满主伞，直到飞 机空速降为零的时间段。
[0035] 此阶段高度下降了dH2，接近伞绳长度;前冲距离L2 = IV +L2〃由两部分组成。
[0036] IV是无风情况下前冲距离，由降落伞厂家给出的空投试验数值使用双线性差值
(其中vo为开伞时真空速），开伞时的 真空速由空速计算得出
[0037] L/是风对前冲距离的影响，L2 = Vwt2C〇S(A-Aw)。由于回收航线都设置为逆风方 向，所以垂直于航线方向的分量Vwt2sin(A-Aw)很小，可近似为零，所以仅考虑风在航线方向 的分量。
[0038] 步骤4.3:漂移段t3,指的是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地这一时间 段。水平运动方向相对空气运动为零，距离L3 = vwt3;其中，下降时间t3 = (H-dHi_dH2)/VL，而 下降速度Vl由降落时垂直方向的受力情况决定，即mg = 0.5 Vl2pCA。其中：
[0039] m:飞机重量；
[0040] g:重力加速度9.8;
[0041] p:空气密度，ρ = 3·701 · 10-9Hq2-1.162 · 10-4Η〇+1·2246;
[0042] C:降落伞阻力系数；
[0043] A:降落伞面积。
[0044]步骤5:根据预定降落点DoUojo)，反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点D4 (x,y) 〇
[0045] dx = L3C〇s(Aw+180)
[0046] dy = L3sin(Aw+180)
[0047] x = xo+dx, y = yo+dy
[0048] 步骤6:从飞机当前位置，直线飞向D4(x，y)点。在距离为U+Ls的02点自动执行"停 车"指令，距离D 4( X，y)为L2的03点自动执行"开伞"指令。
【主权项】
1. 一种伞降无人机自主回收方法，其特征在于包括下述步骤： 步骤1:将设定的降落点Do(xo，y())、回收高度H、进入角A与回收指令发送给无人机； 步骤2、从降落点D〇(x〇，y())向进入角A的反方向(A+180°)延伸3km，作为降高点Di，无人机 绕降高点〇:盘旋降低到回收高度H，再沿航线飞向DQ(XQ，y0); 步骤3、距离降落点Do(xo，y())2km时，查询当前无人机重量m、空速v、当地海拔高度Ho、风 速Vw取I风向Aw; 步骤4、将回收阶段划分为滑行段、拉停段和漂移段； 所述滑行段ti是从发动机停车到降落伞打开前的时间段，滑行段无人机的高度下降dm =0，水平前进距离1^1 = ￥1：1+￥?1：1(3〇8(厶-八》); 所述拉停段t2是从伞舱盖打开到无人机空速降为零的时间段，拉停段无人机的高度下 降d Η 2，前冲距离L 2 = L 2 ' + L 2 〃，其中，L 2 '是无风情况下前冲距离， ?r7 λ ττ ?5 + 0.002?I"， , Α ι. τ±τ ^ <Ttr / 7 0.0065II,),-,； L, - Π 0 + ΘΜ3Ηο +-------如），ν〇为开伞时真空速，ν0 =(?/-- ) -V.; " 110 288. It! L2〃是风对前冲距离的影响，L2〃 = Vwt2co s ( A-Aw ); 所述漂移段t3是无人机在降落伞牵引下匀速下降，直至落地的时间段，漂移段无人机 水平运动方向相对空气运动为零，距离L3 = Vwt3;其中，下降时间t3 = (H-dm-dfti)/VL，下降 速度VL由降落时垂直方向的受力mg = 0.5Vl2pCA决定，g为重力加速度，P为空气密度，C为降 落伞阻力系数，A为降落伞面积； 步骤5、根据预定降落点Do(XQ，y())反推出开伞后无人机需要前冲到的最远点D4(x，y)，其 中，x = xo+dx，y = yo+dy，dx = L3C〇s(Aw+180)，dy = L3sin(Aw+180); 步骤6、从飞机当前位置，直线飞向D4(x，y)点；在与D4(x，y)点距离SU+Ls的出点发动机 停车，与D4(x，y)点距尚为L2的D3点开伞。2. 根据权利要求1所述的伞降无人机自主回收方法，其特征在于:所述的进入角A确保 无人机逆风进入，且减小与风向的夹角。
【文档编号】G05D1/10GK105867413SQ201610239808
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】刘少华, 贺若飞, 赵娜, 肖佳伟, 刘洋
【申请人】西安爱生技术集团公司, 西北工业大学