一种基于仿生学中的眼镜蛇抬头和鱼鹰返渔船动作的无人机在海上着陆的方法与流程

本发明涉及无人舰载机回收领域，具体涉及一种基于仿生学中的眼镜蛇抬头和鱼鹰返渔船动作的无人机在海上着陆的方法。

背景技术：

无人机在海上除了军事应用外，在海上执法、海区巡视、海上搜救、排污监视以及航道测绘方面应用广泛，但是无人机海上回收和着陆问题还是相对困难和不成熟，无人机在船舶上回收和着陆受到多种因素的制约，包括军舰上着陆以及小型的舰船，都会受到诸如甲板的尺寸、海浪的大小、风速以及其它临时状况的影响。因此，研究无人机在船舶上回收直接决定着无人机在海上发展，意义重大。

无人机海上着陆大体分为两个方向。第一个方向是基于或利用船板上着陆铺设跑道，对于军舰或者航空母舰等大型船只，本身铺有跑道，相对可行，但对于没有跑道的小型舰船，该方案通常需要铺设跑道，从而改变船体的结构，如船上装置、导航设备、装载设施等等，以便得到必要的跑道安装空间。无人机在舰船上着陆也可以通过无人机回收网或者其它特殊的缓冲装置，这些方案对于路上比较可行，但在海上实施，会受到船体晃动等方面影响而影响对无人机的捕捉(着陆)，同样道理，采用降落伞或者气球着陆也是受到船体的影响。第二个方向是采用水上专门的平台上进行起降，借助该附加设备实现水上着陆平台的上升，这种方法减轻了改变船体结构等的影响，但需要安装附加的设备，会影响无人机性能发挥，也会增加额外的费用。

技术实现要素：

发明目的：提供一种基于仿生学中的眼镜蛇抬头和鱼鹰返渔船动作的无人机在海上着陆的方法，解决现有技术中存在的无人机海上着陆中的上述问题。

技术方案：一种基于仿生学中的眼镜蛇抬头和鱼鹰返渔船动作的无人机在海上着陆的方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1、远程控制无人机飞回着陆区域，目测无人机位置，做好无人机着陆前的各种准备；

步骤2、目测无人机的位置，根据当时的气象条件，控制飞行姿态；

步骤3、无人机经过平飘后维持预定速度，检查各项着陆条件具备后，保持动机工作状态不变，迅速拉杆至后极限，使得无人机进入眼镜蛇抬头动作；

步骤4、无人机保持眼镜蛇抬头动作，通过发动机推力控制飞机保持当前高度；

步骤5、无人机腹部传感器探测到合适距离，伸出弹簧钩爪勾住回收杆；

步骤6、当无人机抓钩勾住回收杆并抓牢，停止无人机发动机工作；

步骤7、收回回收杆，成功捕捉无人机，回收着陆完成。

在进一步的实施例中，所述步骤2进一步包括：控制好无人机的位置和高度，保持好预定的下滑点，下滑速度和下滑方向，准确控制油门杆位置，使无人机沿预定的下滑线路降落于预定的地点，控制无人机开始着陆；实时监控当前无人机的各项飞行参数，参数包括：无人机的飞行速度、飞机飞行高度、飞机距离着陆舰船的垂直高度、飞机距离着陆舰船的水平距离；根据飞行动力学方程组计算飞行姿态：

式中，t是发动机推力，ρ为空气密度，p是发动机功率是油门杆位置δ的函数，g＝9.8m/s²是地球重力加速度，d是飞机阻力，l是飞机升力，c是飞机侧阻力；

其中，飞机阻力、飞机升力、飞机侧阻力的表达式如下：

式中，c1、c2和c3分别为升力系数、阻力系数和侧力系数，s为飞机截面积。

在进一步的实施例中，所述步骤3进一步包括：无人机从平衡位置拉至后极限位置的时间小于0.3秒；拉杆时控制操纵杆在水平方向的分量小于5度，拉杆后保持住杆的最后位置，此时飞机的法向过载、俯仰速率和迎角迅速增加，飞机开始急速降低速度。

在进一步的实施例中，步骤6中无人机腹部传感器和多个距离传感器再次测量回收杆与无人机的距离，核实当前高度是否适合回收，若无人机高度或者距离回收杆的距离不对，则收起回收杆,飞机进行复飞，在舰船旁飞过，进行下一个四边着陆，回归步骤1。

在进一步的实施例中，无人机先飞抵指定的着陆区域，在经过下滑、拉平之后进入平飘阶段，此时为进行眼镜蛇机动前的准备动作，此时无人机飞行动力学方程简化如下：

式中，v是速度、是航向角、α是飞机迎角、β为侧滑角、d是飞机阻力，l是飞机升力，c是飞机侧阻力，g＝9.8米/秒²是地球重力加速度，m是无人机质量。

在进一步的实施例中，无人机进入眼镜蛇抬头动作，此时无人机的表面气流的分离、漩涡生成以及破碎机理和控制属于无人机机动属性，其发动机的推力、动态气动力、重心位置变化、进入输和高度相关要素的运动方程用如下：

其中是无人机迎角的机动性，是无人机速度的机动性，是飞机高度的机动性，v是无人机的速度。

在进一步的实施例中，所述步骤4进一步包括：当无人机进入眼镜蛇抬头动作后，无人机迎角增加使得发动机推力下降，控制发动机推力，使得无人机维持当前高度，无人机平飞时发动机推力为t(v，h，p，α＝0°：

式中，各符号含义同上。

在进一步的实施例中，所述弹簧钩爪包括总支架，固定在所述总支架上的气缸架，固定在所述气缸架内的直线气缸，转动设置在所述总支架下部的转动部，以及铰接在所述总支架下部的一侧、且与所述转动部的一端同轴连接的钩爪；所述直线气缸的伸出杆与所述转动部铰接，所述转动部和气缸架之间连接有弹簧；所述总支架的内侧安装有触发模块，所述触发模板通过电磁继电器与所述直线气缸连接。

在进一步的实施例中，所述气缸架和转动部呈“h”形，所述气缸架和转动部各有一根套接轴，所述弹簧的两端分别套接在所述套接轴上。所述总支架的一侧固定有传感器支架，所述传感器支架的设有多个距离传感器，所述距离传感器与传感器支架之间连接有用于控制距离传感器倾角的舵机。在钩爪伸出和缩回的过程中，设置在转动部和气缸架之间的弹簧起到缓冲的作用，使得钩爪在钩住回收杆时能够有一定范围内的弹性缓冲，避免无人机硬着陆对起落架和回收杆造成损坏。

在进一步的实施例中，所述无人机还内置有机载气囊，所述机载气囊包括密封隔层，安装在所述密封隔层内的pwm信号电路板，架设并固定在所述密封隔层上的气囊安置筒，以及压缩设置在所述气囊安置筒内的气囊；所述气囊的充气端连接有反应腔体，所述反应腔体与所述pwm信号电路板电性连接，所述pwm信号电路板与无人机内置的计算机电性连接。

有益效果：本发明所述的无人机海上着陆控制方法适用于固定翼无人机在不同复杂条件下回收着陆，回收设备简单，与现有的固定翼无人机海上回收相比，具有三个明显优势：第一，回收过程中直到回收着陆完成，发动机始终处于正常工作状态，发动机保持这种状态有利于回收着陆失败后的第二次以至于更多次回收尝试；第二个优势是回收方法稳定并且可靠，不需要大量增加或改动舰船着陆装置，防止发生无人机在跑道上着陆时碰撞漏油等潜在事故，安全性高；第三，本方法提供的无人机海上回收着陆是基于仿生学技术，充分利用无人机本身技术特点，利用无人机控制方法上的改变靠飞机自身减速着陆，不是采用外力比如回收网等方法使飞机减速，这样既节省人力财力又简单实用。与现有技术相比具有明显的进步性，适用于推广。值得一提的是，本发明主要适用于海上固定翼无人机着陆，对于陆地上固定翼无人机着陆也同样适用，事实上，陆地上着陆设备相对更加稳定，采用此方法着陆成功率更高，同样值得推广使用。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为本发明中步骤1至步骤3阶段的飞行姿态示意图。

图3为本发明中内置于无人机的机载气囊的结构示意图。

图4为本发明中无人机抓钩的结构示意图。

图中各附图标记为：总支架1、气缸架2、直线气缸3、转动部4、钩爪5、触发模块6、弹簧7、传感器支架8、距离传感器9、密封隔层10、pwm信号电路板11、气囊安置筒12、气囊本体13。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

眼镜蛇机动是著名的飞机过失速机动动作，与生物界中的眼镜蛇一个动作类似而得名，当陆地上眼睛蛇要攻击对手时，会先将头抬起，劲部变扁，此时攻击速度不快，保持一定高度慢速滑行，因此飞机中尝试类似的动作称为眼镜蛇机动。最早在飞机中尝试眼镜蛇机动的是前苏联著名试飞员维克多尔·普加乔夫，在1989年6月在巴黎航展上，他驾驶苏-27战斗机第一次在全世界面前表演了眼镜蛇机动，震惊全场，因此这一机动动作又被称为“普加乔夫眼镜蛇”机动。飞机尝试眼镜蛇机动的过程是一个典型的非线性非定常气动力过程，驾驶员拉杆使飞机由常规飞行状态以高俯仰速率作大角度跃升，使其迎角迅速达到30°到40°左右的失速迎角，并在减速过程中使迎角增大到70°左右，此时驾驶仪还能正常操纵飞机绕速度矢量轴滚转或偏航，以便获得快速机头转向或快速机身瞄准能力，随后推杆减小迎角退出失速，转为俯冲增速恢复到常规飞行状态。因此，眼镜蛇机动的显著特点是在拉起到很大迎角，并平稳下俯恢复正常的几秒钟过程中,速度骤减而航迹几乎维持平飞.，整个眼镜蛇机动的完成对发动机推力没有特别的要求。一般只要在所有迎角增大过程中，发动机不出现故障，即使大迎角下出现推力下降也是合理的。

本发明提供的无人机海上着陆方法，其中无人机为固定翼无人机，本实施例所述固定翼无人机在海上着陆制方法包括如下步骤：

首先，远程控制无人机飞回着陆区域，目测无人机位置，做好无人机着陆前的各种准备。接着，目测无人机的位置，根据当时的气象条件，控制好第四转弯点的位置和高度，保持好预定的下滑点，下滑速度和下滑方向，准确控制油门杆位置，使无人机沿预定的下滑线路哦降落于预定的地点，控制无人机开始着陆。随后，无人机经过平飘后在合适的速度，检查各项进入条件具备后，保持动机工作状态不变，迅速拉杆至后极限。拉杆的速率应尽可能快，从平衡位置拉至后极限位置的时间不应长于0.2∽0.3秒。拉杆方向一定要正，否则飞机在跃起过程中将会产生坡度，导致方向偏离。拉杆后，应保持住杆的最后位置，飞机的法向过载、俯仰速率和迎角迅速增加，飞机开始急速降低速度。此时无人机保持眼镜蛇抬头动作，如果飞机高度会降低，则通过油门控制飞机保持这个高度，此时发动机正常工作。接着，无人机腹部传感器探测到合适的距离，开始伸出弹簧钩子勾住回收杆。当无人机抓钩勾住回收杆并抓牢，停止无人机发动机工作。接着收回回收杆，进而成功捕捉无人机，回收着陆完成。如果无人机高度或者距离回收杆的距离不对，则收起回收杆，接着飞机进行复飞，在舰船旁飞过，进行下一个四弯着陆。

本发明中，与其他现有的控制方法相比，最主要的特征就是利用无人机失速状态下的对无人机进行控制，依靠无人机本身降速并通过飞机腹部的遥控钢钩抓住回收钢杆，以上过程只有着陆操纵员控制无人机自动完成。

为了保证无人机正常完成着陆动作，本发明中最重要的是通过无人机的状态完成眼镜蛇抬头动作，因此对无人机的飞行参数要求高，通过对参数的计算，对无人机的飞行姿态进行调整。在上述技术方案中，优选的，所述固定翼无人机飞行参数包括：无人机的飞行速度、飞机飞行高度、飞机距离着陆舰船的垂直高度、飞机距离着陆舰船的水平距离。本专利中无人机着陆需要用到飞行参数设定为v是速度、是航向角、α是飞机迎角、β为侧滑角、μ为航迹滚转角，h为无人机的飞行高度，无人机的飞行动力学方程组表述如下：

上式中，t是发动机推力，ρ为空气密度，p是发动机功率是油门杆位置δ的函数，g＝9.8m/s²是地球重力加速度，d是飞机阻力，l是飞机升力，c是飞机侧阻力，

上式中，c1、c2和c3分别为升力系数、阻力系数和c3侧力系数，s为飞机截面积，以上几个参数与具体飞机型号有关，

无人机先飞抵指定的着陆区域，在经过下滑、拉平之后进入平飘阶段，这也是将要进行眼镜蛇机动的前的准备动作，此时的无人机参数非常重要，直接决定下一步动作的成功，此时无人机基本处于水平平飞，无人机处于平飞状态，也是进行眼镜蛇机动前准备工作，此时无人机飞行动力学方程可简化如下：

具体的飞行参数与无人机具体参数有关，确定了具体型号无人机，就可以根据方程计算出参数。

无人机眼镜蛇机动是无人机在飞行中短时间内加大迎角直到90°以上并且无偏离，此时无人机的表面气流的分离、漩涡生成以及破碎机理和控制属于无人机机动属性，其发动机的推力、动态气动力、重心位置变化、进入输和高度相关要素的运动方程用如下表示：

其中是无人机迎角的机动性，是无人机速度的机动性，是飞机高度的机动性。

根据测试，在眼镜蛇机动过程中，由于迎角α的快速增加可以达到甚至到达。此时发动机的推力有下降趋势，设平飞时发动机的推力为t(v，h，p，α＝0°)，则无人机的发动机推力可以表示成如下：

维持无人机高度不变，对于无人机正常回收非常关键，因此要根据具体飞机控制油门，尽量保持飞机高度不变。

上述技术方案中，优选的，具体控制指令如下：

指令1：控制无人机处于平飞状态，获取无人机各种参数信息；

指令2：保持无人机如图2中①的姿势；

指令3：开始眼镜蛇机动，控制无人机如图2中②的姿势；

指令4：继续进行眼镜蛇机动飞行，速度极速下降，控制无人机如图2中③的姿势；

指令5：启动腹部弹簧回收抓钩，使抓钩从飞机腹部弹出；

指令6：利用钩子上传感器探测回收杆的距离，做好抓杆准备；

指令7：在合适距离，抓钩勾住舰船上的回收杆；

指令8：关闭飞机发动机；

指令9：回收杆收回，无人机完成着陆；

指令10：无人机复飞，进行下一次着陆动作，尝试新一次的回收着陆。

调整无人机飞到指定区域中，执行指令1；

当无人机高度、速度和航向符合回收动作条件时，执行指令2；

根据指令2的执行情况，观察无人机的姿态，继续执行指令3；

根据指令3的执行情况，观察无人机的姿态，继续执行指令4；

根据飞机距离回收杆的距离，执行指令5；

继续执行指令6，为无人机着陆做好准备；

在无人机距离回收杆在一米范围内，执行指令7；

如果指令7执行成功，执行指令8；

继续执行指令9；

反之，指令7执行失败，执行指令10；

重复指令1，开始新的回收着陆过程。

值得一提的是，本发明中弹簧钩爪包括总支架、气缸架、直线气缸、转动部、钩爪、触发模块，所述总支架固定在无人机的底部，所述气缸架固定在所述总支架上，所述直线气缸固定在所述气缸架内，所述转动部转动设置在所述总支架的下部，所述钩爪铰接在所述总支架下部的一侧，所述钩爪与所述转动部的一端同轴连接。所述直线气缸的伸出杆与所述转动部铰接，所述转动部和气缸架之间连接有弹簧；所述总支架的内侧安装有触发模块，所述触发模板通过电磁继电器与所述直线气缸连接。所述气缸架和转动部呈“h”形，所述气缸架和转动部各有一根套接轴，所述弹簧的两端分别套接在所述套接轴上。所述总支架的一侧固定有传感器支架，所述传感器支架的设有多个距离传感器，所述距离传感器与传感器支架之间连接有用于控制距离传感器倾角的舵机。当准备对无人机进行回收时，触发模块触发回收指令，控制直线气缸迅速动作，由直线气缸的伸出杆带动转动部摆动，转动部进一步带动与之同轴连接的钩爪摆动，从而以合适的角度放下钩爪。当需要收回钩爪时只需直线气缸收回伸出杆即可。在钩爪伸出和缩回的过程中，设置在转动部和气缸架之间的弹簧起到缓冲的作用，使得钩爪在钩住回收杆时能够有一定范围内的弹性缓冲，避免无人机硬着陆对起落架和回收杆造成损坏。

此外，该无人机还内置有机载气囊，所述机载气囊包括密封隔层、pwm信号电路板、气囊安置筒、气囊本体，所述pwm信号电路板固定在密封隔层里，所述气囊安置筒架设并固定在密封隔层上，所述气囊压缩设置在气囊安置筒内。所述气囊的充气端连接有反应腔体，所述反应腔体与所述pwm信号电路板电性连接，所述pwm信号电路板与无人机内置的计算机电性连接。机载气囊用于应急使用，如飞控计算机检测到落地姿态异常、超速、过载、或落入水中等情况，pwm信号电路板即刻发出触发信号，控制气囊安置筒在0.2秒内迅速对气囊充气，使得无人机能够最大限度地受到缓冲。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。