本公开涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种球载太阳能无人机投放控制方法。
背景技术
临近空间太阳能无人机具有巡航时间长特点，可跨昼夜甚至跨周飞行，同时其飞行高度高，随着储能电池技术的不断进步，具有广阔的发展前景。目前太阳能无人机进入临近空间的方式主要是依靠跑道自主爬升，无人机靠自身的动力装置爬升到预定的巡航高度，该方式对无人机的电机性能要求比较高；此外，无人机在设计时需要考虑爬升过程的影响。
鉴于此，设计一种新的太阳能无人机进入临近空间方式，该方式首次将太阳能无人机与高空气球结合，利用高空浮空器平台将太阳能无人机携带到指定的高度再进行投放以进入临近空间，该方式在进行独立系统设计时只需考虑巡航状态需求，同时无人机气动设计以巡航飞行高度为参考设计点，具有更高的巡航性能，减少机体本身重量，增加载荷能力。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，采用临近空间球载投放方式对球载太阳能无人机投放方式提出很高的要求，一方面球载太阳能无人机尺寸大、质量轻、柔性大，对投放过程的过载提出很高要求；另一方面投放过程时间短，球载太阳能无人机飞行状态变化大，需要在短时间内完成从竖直零初速度状态到水平巡航飞行状态过程转换，因此现有的投放方式无法满足要求。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种球载太阳能无人机投放控制方法，以缓解现有技术中投放方式无法满足太阳能无人机过载要求和投放时间的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种球载太阳能无人机投放控制方法，通过俯仰通道、横滚通道和航向通道进行姿态控制，该球载太阳能无人机包括：无人机机体；高空气球，与无人机机体通过绳索连接；以及切割器，用于切断高空气球与无人机机体间的绳索；以切割器工作时刻开始至所述无人机机体进入巡航飞行结束，该球载太阳能无人机投放控制方法包括：
步骤a：所述切割器工作后，通过俯仰通道拉起、横滚通道保持零位以及航向通道增稳，使所述无人机机体达到第一俯仰角；
步骤b：通过俯仰通道拉起、横滚通道滚转角进行零位置控制以及航向通道增稳，使所述无人机机体由第一俯仰角达到第二俯仰角；
步骤c：通过俯仰通道拉起、横滚通道滚转角进行零位置控制以及航向通道增稳，使所述无人机机体由第二俯仰角达到第三俯仰角；以及
步骤d：所述无人机机体达到第三俯仰角后，当所述无人机机体满足巡航飞行状态判据时开始进入巡航飞行，投放控制过程结束；
其中，所述第一俯仰角、所述第二俯仰角和所述第三俯仰角为所述无人机机体的轴线与水平面的夹角，所述第一俯仰角、所述第二俯仰角和所述第三俯仰角均介于-90°至0°之间且依次递增。
在本公开的一些实施例中，所述第一俯仰角为-70°，所述第二俯仰角为-50°，所述第三俯仰角为-20°。
在本公开的一些实施例中，所述无人机机体在投放初始时刻的俯仰角为-90°，在拉起过程中所述无人机机体的航向角的方向即为无人机控制飞行的航向。
在本公开的一些实施例中，在所述切割器工作时刻前，俯仰通道控制所述无人机机体的升降舵偏角维持在负值。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤a和所述步骤b中，俯仰通道控制所述升降舵偏角为所述切割器工作时刻前保持的角度。
在本公开的一些实施例中，在所述步骤c中，俯仰通道实时控制所述升降舵偏角，使所述无人机机体位于加速度最小前提下的最优航迹跟踪计算得到的俯仰角位置。
在本公开的一些实施例中，所述切割器工作时刻为所述无人机机体的初始条件满足投放要求的时刻；其中，所述投放要求包括：所述球载太阳能无人机的三轴姿态角速率小于±5°/s，风速小于2m/s。
在本公开的一些实施例中，所述步骤d包括：步骤d1：若满足巡航飞行状态判据时，进入巡航飞行；步骤d2：若不满足巡航飞行状态判据时，维持第三阶段的控制模式，直至所述无人机机体满足巡航飞行状态判据。
在本公开的一些实施例中，所述巡航飞行状态判据包括：所述无人机机体的飞行空速大于失速速度；所述无人机机体的俯仰角在±3°以内；所述无人机机体的俯仰角速率介于±10°/s之间。
在本公开的一些实施例中，该球载太阳能无人机还包括：光纤惯导，与所述无人机机体中的控制模块接连，用于在切割器工作时给出控制启控时刻。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的球载太阳能无人机投放控制方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开提供的球载太阳能无人机投放控制方法针对球载太阳能无人机投放后到球载太阳能无人机转平飞的过程中，横滚通道、俯仰通道和航向通道的控制逻辑问题，以及三个控制通道在何时介入的问题提供了一种可行的控制方案，该控制方法紧密结合工程实际，能够解决零速度投放类无人机控制方法问题，具有很强的工程应用价值；
(2)在切割器(用于切断悬吊球载太阳能无人机的绳索)工作前，无人机升降舵偏角控制在负值，在切割器工作后，无人机即具备抬头力矩，从而避免无人机的纵轴进入小于-90°的状态，造成风险；
(3)在投放拉起的第一阶段，仅对纵向通道进行拉起控制，横滚通道进行保持，航向进行增稳控制，做到横航向稳定，纵向仍然为固定舵偏角操纵，能够尽量降低拉起过程中的风险。
附图说明
图1为本公开实施例提供的球载太阳能无人机的结构示意图。
图2为本公开实施例提供的球载太阳能无人机投放控制方法的流程示意图。
图3为本公开实施例提供的球载太阳能无人机投放控制方法的逻辑结构图。
具体实施方式
本公开实施例提供的球载太阳能无人机投放控制方法针对球载太阳能无人机投放后到球载太阳能无人机转平飞的过程中，横滚通道、俯仰通道和航向通道的控制逻辑问题，以及三个控制通道在何时介入的问题提供了一种可行的控制方案，从而使球载太阳能无人机的投放过程顺利进行。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供一种球载太阳能无人机投放控制方法，通过俯仰通道、横滚通道和航向通道进行姿态控制，如图1所示，该球载太阳能无人机包括：无人机机体；高空气球，与无人机机体通过绳索连接；以及切割器，用于切断高空气球与无人机机体间的绳索。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，以切割器工作时刻开始至所述无人机机体进入巡航飞行结束，该球载太阳能无人机投放控制方法包括：步骤a：切割器工作后，通过俯仰通道拉起、横滚通道保持零位以及航向通道增稳，使无人机机体达到第一俯仰角；步骤b：通过俯仰通道拉起、横滚通道滚转角进行零位置控制以及航向通道增稳，使无人机机体由第一俯仰角达到第二俯仰角；步骤c：通过俯仰通道拉起、横滚通道滚转角进行零位置控制以及航向通道增稳，使无人机机体由第二俯仰角达到第三俯仰角；以及步骤d：无人机机体达到第三俯仰角后，当无人机机体满足巡航飞行状态判据时开始进入巡航飞行，投放控制过程结束；其中，第一俯仰角、第二俯仰角和第三俯仰角为无人机机体的轴线与水平面的夹角，第一俯仰角、第二俯仰角和第三俯仰角均介于-90°至0°之间且依次递增，本公开提供的球载太阳能无人机投放控制方法针对球载太阳能无人机投放后到球载太阳能无人机转平飞的过程中，横滚通道、俯仰通道和航向通道的控制逻辑问题，以及三个控制通道在何时介入的问题提供了一种可行的控制方案，该控制方法紧密结合工程实际，能够解决零速度投放类无人机控制方法问题，具有很强的工程应用价值。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，第一俯仰角
在本公开的一些实施例中，球载太阳能无人机投放初始时刻机头朝下，无人机法向可以为任何方向，无人机机体在投放初始时刻的俯仰角为-90°，机体纵轴在水平面的投影为一个点，在拉起过程中无人机机体的航向角可能为任何方向，该方向即为无人机控制飞行的航向。
在本公开的一些实施例中，在切割器工作时刻前，如图3所示，俯仰通道控制无人机机体的升降舵偏角维持在负值，在切割器工作后，无人机即具备抬头力矩，从而避免无人机的纵轴进入小于-90°的状态，造成风险。
在本公开的一些实施例中，在步骤a和步骤b中，如图3所示，俯仰通道控制升降舵偏角为所述切割器工作时刻前保持的角度，从而降低拉起过程中的控制难度，从而降低风险。
在本公开的一些实施例中，在步骤c中，如图3所示，俯仰通道实时控制升降舵偏角，使无人机机体位于加速度最小前提下的最优航迹跟踪计算得到的俯仰角位置，即在无人机机体强度允许过载范围和迎角允许范围内，通过最优航迹跟踪计算方法，计算能够使无人机机体承受最小加速度的俯仰角。目前常用的最优航迹跟踪计算方法有基于过载控制的航迹跟踪计算方法、给定固定目标俯仰角同时进行角速率限幅的航迹跟踪计算方法等。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，切割器工作时刻为无人机机体的初始条件满足投放要求的时刻。
在本公开的一些实施例中，投放要求包括：无人机机体的三轴姿态角速率小于±5°/s；风速小于2m/s。
在本公开的一些实施例中，如图3所示，步骤d包括：步骤d1：若满足巡航飞行状态判据时，进入巡航飞行；步骤d2：若不满足巡航飞行状态判据时，维持第三阶段的控制模式，直至无人机机体满足巡航飞行状态判据。
在本公开的一些实施例中，巡航飞行状态判据包括：无人机机体的飞行空速大于失速速度；无人机机体的俯仰角在±3°以内；无人机机体的俯仰角速率介于±10°/s之间。
在本公开的一些实施例中，该球载太阳能无人机还包括：光纤惯导，与无人机机体中的控制模块接连，用于在切割器工作时给出控制启控时刻，由于无人机机体与高空气球及投放系统无电气连接，无法从切割器切割指令获得启控时刻，因此球载太阳能无人机控制启控时刻由光纤惯导给出，即切割器工作瞬间，无人机机体瞬间属于失重状态，光纤惯导感应到无人机机体的失重状态后，向无人机机体中的控制模块发送启控信号，开始执行本公开提供的球载太阳能无人机投放控制方法。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的球载太阳能无人机投放控制方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开实施例提供的球载太阳能无人机投放控制方法针对球载太阳能无人机投放后到球载太阳能无人机转平飞的过程中，横滚通道、俯仰通道和航向通道的控制逻辑问题，以及三个控制通道在何时介入的问题提供了一种可行的控制方案，从而使球载太阳能无人机的投放过程顺利进行。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。