一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法与流程

本发明提供了一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法，属于航空工程领域。

背景技术：

无人机已经在各行各业得到了广泛的应用，尤其在诸如勘探测绘、网络巡检、应急救灾等领域具有巨大的应用潜力。目前无人机在诸如勘探测绘、网络巡检、应急救灾等领域的应用中，通常需要在以下两个方面进行性能的折中考虑：大航程飞行性能，抵近目标的精细观测能力。勘探测绘、网络巡检、应急救灾所要求的飞行任务航程动则成百上千公里，远非目前中小型无人机，尤其是螺旋翼无人机所能胜任，而只能由飞行速度较高的大型固定翼无人机来完成。然而，大型固定翼无人机由于其较高的飞行速度以及其他相关性能的限制，无法对低空目标，尤其是对地面目标进行抵近目标的精细观测。抵近目标的精细观测通常需要螺旋翼无人机的低空低速靠近和空中悬停的飞行功能，这些都是大型固定翼无人机完全无法企及的飞行功能。所以，目前应用无人机进行勘探测绘、网络巡检、应急救灾等作业时，一般是先派出大型固定翼无人机进行大范围监视；当发现某处目标存在可疑问题需要进一步抵近目标的精细观测时，则派出地面人员前往该目标所在区域用相应设备进行抵近目标的精细观测，此时才可能应用到螺旋翼无人机。但是，在现场情况不断动态演变的环境中，从大型固定翼无人机发现目标存在可疑问题到派出地面人员去核实可疑问题所需要的时间往往可能导致错过了最佳的问题处置时机，这在应急救灾中尤为重要。所以，如果大型固定翼无人机自身携带有小型螺旋翼无人机，当大型固定翼无人机从高空高速飞行中发现目标存在可疑问题后，能够马上派出自身所携带的小型螺旋翼无人机前往开展抵近目标的精细观测，那么，就可以在最短的时间内搞清楚可疑问题的情况，从而缩短应对处置的时间。

其实，大型固定翼无人机携带有小型螺旋翼无人机不是问题的关键，关键是在小型螺旋翼无人机被派出并完成抵近目标的精细观测以后，大型固定翼无人机该如何回收小型螺旋翼无人机，以便给小型螺旋翼无人机充电并再次使用，因为大型固定翼无人机在大航程飞行过程中，可能会陆续发现多个存在可疑问题的目标，因此需要多次派出小型螺旋翼无人机。如果大型固定翼无人机不能有效回收小型螺旋翼无人机，则需要携带多架小型螺旋翼无人机。考虑到载荷限制，大型固定翼无人机所携带小型螺旋翼无人机的数量是非常有限的，很可能远远少于一次大航程飞行监测任务中所发现的需要抵近精细观测的目标的数量。而且，如果小型螺旋翼无人机只做无需回收的一次性使用，则经济成本太高；另外，遗弃在野外的小型螺旋翼无人机可能会带来意想不到的环境污染和火灾隐患等问题。

因此，如果不能实现大型固定翼无人机对小型螺旋翼无人机的有效回收，那么大型固定翼无人机携带小型螺旋翼无人机开展大航程飞行监测任务就无从谈起。而要实现大型固定翼无人机对小型螺旋翼无人机的有效回收，一个极其重要的环节就是大型固定翼无人机在回收小型螺旋翼无人机时两者的协同飞行问题。大型固定翼无人机和小型螺旋翼无人机的飞行性能指标通常差别很大，因此必须有一套安全有效的规划两者协同飞行的方法，以确保两者在协同飞行过程中安全平稳地彼此靠近，从而能有利于机载回收设备顺利地开展回收工作。两架无人机的协同飞行问题处理不好，轻则消耗大量的飞行动力，比如航油和电力，重则两架无人机发生空中碰撞而坠毁。

然而，目前关于大型无人机回收小型无人机的技术设备研发工作还鲜有报道，关于大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的研究就更少了。本发明提出一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法，用以辅助解决大型无人机在飞行过程中对小型无人机的平稳回收问题。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法，以解决大型无人机在飞行过程中回收小型无人机时的安全平稳接近问题。本发明方法主要步骤如下：根据小型无人机的飞行性能极限，大型无人机以一个适当高度、速度和半径进行稳定的圆形轨迹飞行，并将自己的相关飞行参数发送给小型无人机；参照大型无人机的圆形飞行轨迹，小型无人机规划以相应的高度、速度和半径进行水平投影同心的圆形轨迹飞行；根据回收方式的不同，小型无人机规划圆形飞行轨迹的高度和半径可以与大型无人机圆形飞行轨迹的高度和半径有所差异；小型无人机以扩张螺旋线或收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形飞行轨迹；然后通过调整无人机的飞行速度，实现两架无人机的安全接近以便机载回收设备开展回收作业；如果两架无人机在安全接近后机载回收设备未能成功完成回收作业，则两架无人机继续沿各自的圆形飞行轨迹协同飞行，并通过调整飞行速度而实现又一次彼此安全接近；如此重复，直到机载回收设备成功完成回收作业；两架无人机的协同飞行过程也可以根据诸如空管、飞行动力、航空气象这些因素而随时强行终止，即放弃回收小型无人机，从而协同飞行过程结束。

假设大型无人机的最小巡航飞行速度是vlmin，最小巡航飞行高度是hlmin，最小巡航飞行半径是rlmin，而小型无人机的最大巡航飞行速度是vsmax，最大巡航飞行高度是hsmax，最大巡航飞行半径是rsmax，飞行过程中大型无人机与小型无人机的最小安全间隔要求为dsafe，机载回收设备在开展回收作业时，大型无人机与小型无人机的相对速度差必须小于最大回收速度差vrmax，大型无人机和小型无人机在各自的圆形飞行轨迹上的角度位置之差必须小于最大回收角度差armax。那么，协同飞行的具体实现过程如下：(步骤一)则大型无人机根据空管、地形和低空气象条件，选择一个离小型无人机最近的合适空域，以速度vl、高度hl和半径rl进行稳定的圆形轨迹飞行，其中vlmin≤vl≤vsmax，hlmin≤hl≤hsmax，rlmin≤rl≤rsmax，并将自己的相关飞行参数发送给小型无人机；(步骤二)参照大型无人机的圆形飞行轨迹，规划出小型无人机的在回收最后阶段与大型无人机并飞的飞行轨迹，小型无人机的并飞飞行轨迹应该是与大型无人机的圆形飞行轨迹具有相同水平投影圆心的圆形轨迹，根据回收方式的不同，为小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度hs和半径rs可以与大型无人机圆形飞行轨迹的高度hl和半径rl有所差异，小型无人机的圆形并飞飞行轨迹的高度hs和半径rs需要根据两架无人机巡航飞行所需满足的最小安全间隔dsafe，以及机载回收设备的相关操作性能指标，即最大回收距离drmax，而决定，小型无人机沿圆形并飞飞行轨迹的速度为vs≤vl；(步骤三)为小型无人机规划一条恰当的螺旋线飞行轨迹，螺旋线飞行轨迹的起点是小型无人机的当前所处位置，螺旋线飞行轨迹的终点可以是小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的任何一个点，螺旋线飞行轨迹的末端应该以切线角度并入圆形并飞飞行轨迹，小型无人机沿螺旋线飞行轨迹进入圆形并飞飞行轨迹后的盘旋方向必须与大型无人机在其圆形轨迹上的盘旋方向相同；(步骤四)小型无人机从当前所处位置沿螺旋线飞行轨迹边飞行边调整飞行速度，从而确保最终以所规划的速度vs飞行进入圆形并飞飞行轨迹；(步骤五)当小型无人机沿圆形并飞飞行轨迹保持速度vs飞行稳定后，小型无人机将其相关飞行数据不断发送给大型无人机，大型无人机则根据与小型无人机的角度位置差，逐渐调整自己的飞行速度，以确保当大型无人机与小型无人机的角度位置差alms小于最大回收角度差armax时，即当alms≤armax时，大型无人机新的飞行速度vln与小型无人机的飞行速度vs之差满足机载回收设备的最大回收速度差vrmax，也就是vln-vs≤vrmax；(步骤六)如果当大型无人机与小型无人机的角度位置差满足alms≤armax时，两者的飞行速度之差始终大于最大回收速度差vrmax，即vln-vs＞brmax，则大型无人机重新规划新一轮沿其圆形轨迹的变速飞行，以确保当大型无人机与小型无人机的角度位置差再度满足alms≤armax时，两者的飞行速度之差能够小于最大回收速度差vrmax，期间小型无人机需要将其相关飞行数据不断发送给大型无人机；(步骤七)当大型无人机与小型无人机的角度位置差和飞行速度差都满足机载回收设备的相关操作要求时，即当alms≤armax并且vln-vs≤vrmax时，机载回收设备开展对小型无人机的回收作业；(步骤八)如果回收作业成功，或者系统根据诸如空管、飞行动力、航空气象这些因素而发出了强行终止协同飞行的指令，则大型无人机回收小型无人机的协同飞行过程结束，如果回收作业不成功且没有强行终止协同飞行的指令，则从(步骤六)重新开始继续执行协同飞行，直到回收作业成功。

本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法具有以下有益效果：本发明方法可以实现在有限的空域内根据大型无人机和需要回收的小型无人机的飞行性能而规划组织大型无人机和小型无人机进行协同飞行，并可以在协同飞行过程中不断创造出满足安全间隔要求和回收作业要求的大型无人机和小型无人机空间位置关系，从而有助于机载回收设备完成大型无人机在飞行过程中对小型无人机的安全平稳回收。

附图说明：

附图给出本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示意图：

图1：本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的主要步骤示意图。

图2：当机载回收设备安装在大型无人机的机背上时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图3：当机载回收设备安装在大型无人机的机腹上时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图4：当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图5：当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图6：当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图7：当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图8：当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

图9：当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法做进一步说明。

图1给出了本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法所包括的主要步骤：

(步骤一)：假设大型无人机的最小巡航飞行速度是vlmin，最小巡航飞行高度是hlmin，最小巡航飞行半径是rlmin，而小型无人机的最大巡航飞行速度是vsmax，最大巡航飞行高度是hsmax，最大巡航飞行半径是rsmax，则大型无人机根据空管、地形和低空气象条件，选择一个离小型无人机最近的合适空域，以速度vl、高度hl和半径rl进行稳定的圆形轨迹飞行，其中vlmin≤vl≤vsmax，hlmin≤hl≤hsmax，rlmin≤rl≤rsmax，并将自己的相关飞行参数发送给小型无人机；

(步骤二)参照大型无人机的圆形飞行轨迹，规划出小型无人机的在回收最后阶段与大型无人机并飞的飞行轨迹，小型无人机的并飞飞行轨迹应该是与大型无人机的圆形飞行轨迹具有相同水平投影圆心的圆形轨迹，根据回收方式的不同，为小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度hs和半径rs可以与大型无人机圆形飞行轨迹的高度hl和半径rl有所差异，小型无人机的圆形并飞飞行轨迹的高度hs和半径rs需要根据两架无人机巡航飞行所需满足的最小安全间隔dsafe，以及机载回收设备的相关操作性能指标，即最大回收距离drmax，而决定，小型无人机沿圆形并飞飞行轨迹的速度为vs≤vl；

(步骤三)：为小型无人机规划一条恰当的螺旋线飞行轨迹，螺旋线飞行轨迹的起点是小型无人机的当前所处位置，螺旋线飞行轨迹的终点可以是小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的任何一个点，螺旋线飞行轨迹的末端应该以切线角度并入圆形并飞飞行轨迹，小型无人机沿螺旋线飞行轨迹进入圆形并飞飞行轨迹后的盘旋方向必须与大型无人机在其圆形轨迹上的盘旋方向相同；

(步骤四)：小型无人机从当前所处位置沿螺旋线飞行轨迹边飞行边调整飞行速度，从而确保最终以所规划的速度vs飞行进入圆形并飞飞行轨迹；

(步骤五)：当小型无人机沿圆形并飞飞行轨迹保持速度vs飞行稳定后，小型无人机将其相关飞行数据不断发送给大型无人机，大型无人机则根据与小型无人机的角度位置差，逐渐调整自己的飞行速度，以确保当大型无人机与小型无人机的角度位置差alms小于最大回收角度差armax时，即当alms≤armax时，大型无人机新的飞行速度vln与小型无人机的飞行速度vs之差满足机载回收设备的相关操作性能指标，即最大回收速度差vrmax，也就是vln-vs≤vrmax；

(步骤六)：如果当大型无人机与小型无人机的角度位置差满足alml≤armax时，两者的飞行速度之差始终大于最大回收速度差vrmax，即vln-vs＞vrmax，则大型无人机重新规划新一轮沿其圆形轨迹的变速飞行，以确保当大型无人机与小型无人机的角度位置差再度满足alms≤armax时，两者的飞行速度之差能够小于最大回收速度差，期间小型无人机需要将其相关飞行数据不断发送给大型无人机；

(步骤七)：当大型无人机与小型无人机的角度位置差和飞行速度差都满足机载回收设备的相关操作要求时，即当alms≤armax并且vln-vs≤vrmax时，机载回收设备开展对小型无人机的回收作业；

(步骤八)：如果回收作业成功，则大型无人机回收小型无人机的协同飞行过程结束，如果回收作业不成功，则从(步骤六)重新开始继续执行协同飞行，直到回收作业成功。

图2-图9分别给出了当机载回收设备安装在大型无人机的不同位置时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例。图2-图9示例中的标号说明：1大型无人机2小型无人机3大型无人机的圆形飞行轨迹4小型无人机的圆形并飞飞行轨迹5小型无人机的螺旋线飞行轨迹。

具体地，图2给出了当机载回收设备安装在大型无人机的机背上时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备安装在大型无人机的机背上，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径与大型无人机圆形飞行轨迹的半径一致，即rs＝pl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度hs比大型无人机圆形飞行轨迹的高度hl高出一个垂直间隔，且必须满足dsafe≤hs-hl≤drmax，即大型无人机与小型无人机的飞行轨迹高度差必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图3给出了当机载回收设备安装在大型无人机的机腹上时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备安装在大型无人机的机腹上，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径与大型无人机圆形飞行轨迹的半径一致，即rs＝rl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度hs比大型无人机圆形飞行轨迹的高度hl低出一个垂直间隔，且必须满足dsafe≤hl-hs≤drmax，即大型无人机与小型无人机的飞行轨迹高度差必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图4给出了当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度与大型无人机圆形飞行轨迹的高度一致，即hs＝hl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl小出一个水平间隔，且必须满足dsafe≤rl-rs≤drmax，即大型无人机与小型无人机的飞行轨迹半径差必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图5给出了当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备安装在大型无人机的机身侧面，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度与大型无人机圆形飞行轨迹的高度一致，即hs＝hl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl大出一个水平间隔，且必须满足dsafe≤rs-rl≤drmax，即大型无人机与小型无人机的飞行轨迹半径差必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图6给出了当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度比大型无人机圆形飞行轨迹的高度高出一个垂直间隔，即hs＞hl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl小出一个水平间隔，即rl＞rs，且必须满足dsafe≤((hl-hs)²+(rl-rs)²)^1/2≤drmax，即大型无人机圆形飞行轨迹上任何一个点与小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的最近点之间的直线距离必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图7给出了当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧上方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度比大型无人机圆形飞行轨迹的高度高出一个垂直间隔，即hs＞hl，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl大出一个水平间隔，即rs＞rl，且必须满足dsafe≤((hl-hs)²+(rl-rs)²)^1/2≤drmax，即大型无人机圆形飞行轨迹上任何一个点与小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的最近点之间的直线距离必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图8给出了当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以扩张螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度比大型无人机圆形飞行轨迹的高度低出一个垂直间隔，即hl＞hs，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl小出一个水平间隔，即rl＞rs，且必须满足dsafe≤((hl-hs)²+(rl-rs)²)^1/2≤drmax，即大型无人机圆形飞行轨迹上任何一个点与小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的最近点之间的直线距离必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。

图9给出了当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹时，本发明的一种大型无人机回收小型无人机的协同飞行方法的示例图。当机载回收设备需要从大型无人机的机身侧下方开展小型无人机回收工作，且小型无人机需要以收缩螺旋线的飞行轨迹进入到所规划的圆形并飞飞行轨迹，则小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的高度比大型无人机圆形飞行轨迹的高度低出一个垂直间隔，即hl＞hs，小型无人机所规划的圆形并飞飞行轨迹的半径rs比大型无人机圆形飞行轨迹的半径rl大出一个水平间隔，即rs＞rl，且必须满足dsafe≤((hl-hs)²+(rl-rs)²)^1/2≤drmax，即大型无人机圆形飞行轨迹上任何一个点与小型无人机圆形并飞飞行轨迹上的最近点之间的直线距离必须大于最小安全间隔dsafe，同时小于最大回收距离drmax。