專利名稱：一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)飛行控制領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是指一種具有開(kāi)傘回收方式的無(wú)人 機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)人機(jī)的回收技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展，為了 提高飛機(jī)安全性，由單一回收方式逐漸向復(fù)合回收方式轉(zhuǎn)變。無(wú)人機(jī)的回收方式一般有 輪式滑跑回收、傘降回收、撞網(wǎng)回收等，這幾種回收方式針對(duì)不同的無(wú)人機(jī)應(yīng)用于不同的場(chǎng) 合，通常，傘降回收方式雖然回收精度低，但相對(duì)輪式滑跑回收方式而言，對(duì)跑道、飛行控 制、機(jī)載設(shè)備的要求較低，因而被廣泛應(yīng)用于中小型無(wú)人機(jī)。通常，一般無(wú)人機(jī)開(kāi)傘回收過(guò)程如圖1所示。當(dāng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后，則下降高度 向預(yù)定的回收?qǐng)鲲w行，同時(shí)進(jìn)行減速，到達(dá)開(kāi)傘點(diǎn)后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停車，并根據(jù)測(cè)控地面站 指令或自動(dòng)開(kāi)傘，如果有減速傘則先開(kāi)減速傘，降到規(guī)定速度后再開(kāi)大傘，沒(méi)有減速傘則直 接開(kāi)傘；之后飛機(jī)自由降落，直到落地，并根據(jù)需要進(jìn)行切傘，至此完成傘降回收。由于開(kāi)傘 后飛機(jī)不再進(jìn)行控制，飛機(jī)隨風(fēng)飄落，其落地點(diǎn)受地理環(huán)境、風(fēng)等的影響很大，這在很大程 度上降低了傘降回收的精度，給使用人員帶來(lái)不便和麻煩，特別是在回收?qǐng)鲋車粔蜷_(kāi)闊 的情況下，飛機(jī)飄落到樹(shù)上或者提前落到房頂上，都會(huì)給飛機(jī)機(jī)體或設(shè)備帶來(lái)一定的損害， 造成經(jīng)濟(jì)損失。如圖1所示，一般傘降回收無(wú)人機(jī)的開(kāi)傘點(diǎn)選取在一定的安全高度H上，并與回收 場(chǎng)中心位置重合，在理想情況下，沒(méi)有風(fēng)干擾時(shí)這種方法的回收精度是較高的，但是，實(shí)際 情況都會(huì)有風(fēng)，尤其當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，在回收?qǐng)鲋行狞c(diǎn)上空開(kāi)傘，飛機(jī)落地點(diǎn)通常與回收?qǐng)鲋?心的偏差就會(huì)比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決在有風(fēng)的情況下，無(wú)人機(jī)傘降誤差大，安全性低的技術(shù) 問(wèn)題，提出一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，能夠使無(wú)人機(jī)在有風(fēng)的情況下進(jìn)行傘降，仍 然具有較好的回收精度和適應(yīng)能力，提高無(wú)人機(jī)傘降回收的精度，提高無(wú)人機(jī)回收的安全 性。本發(fā)明利用無(wú)人機(jī)的飛行高度、飛行速度信息，根據(jù)回收指令，自動(dòng)根據(jù)回收?qǐng)龅?風(fēng)速、風(fēng)向解算出開(kāi)傘點(diǎn)位置，將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)到該點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)傘，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傘降引導(dǎo)回收。實(shí) 現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)傘降回收控制具體包括以下六個(gè)步驟步驟一通過(guò)測(cè)控地面站，向無(wú)人機(jī)發(fā)送“回收”指令，進(jìn)行回收?qǐng)鏊斤L(fēng)速Vw、風(fēng) 向Vw的估算；步驟二 獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D ；步驟三確定開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度、緯度；步驟四將開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度Ltl、緯度Btl作為到點(diǎn)坐標(biāo)位置輸出至無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航裝置，導(dǎo)航裝置解算出側(cè)偏矩Dz和側(cè)偏移速度丄，然后利用無(wú)人機(jī)的飛行高度h、升降速度&、 橫滾角Y、橫滾角速率ωχ、俯仰角θ、俯仰角速率ωζ信息，及相應(yīng)的控制系數(shù)XY、kgl、kg2、 K0、Kh、KhI、Khd、Κωζ，得到副翼控制指令和升降舵控制指令，根據(jù)副翼控制指令和升降舵控制 指令通過(guò)升降舵控制和副翼控制使得無(wú)人機(jī)飛向開(kāi)傘點(diǎn)Α，到達(dá)開(kāi)傘點(diǎn)后，執(zhí)行開(kāi)傘，完成 傘降回收。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)充分利用飛機(jī)的空速、地速及俯仰角、航向角估算出回收?qǐng)龅娘L(fēng)速及風(fēng)向， 進(jìn)而得到合適的開(kāi)傘點(diǎn)，提高了在有風(fēng)的情況下傘降回收的精度，有效提高飛機(jī)回收安全 性；(2)本發(fā)明的開(kāi)傘點(diǎn)的計(jì)算方法是在地球坐標(biāo)系下使用了地心坐標(biāo)進(jìn)行解算，能 夠提高開(kāi)傘點(diǎn)的解算精度，從而提高導(dǎo)航控制的精度。


圖1是現(xiàn)有無(wú)人機(jī)開(kāi)傘回收過(guò)程示意圖；圖2是本發(fā)明中無(wú)人機(jī)傘降回收示意圖；圖3是本發(fā)明的方法流程具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法作進(jìn)一步說(shuō)明。圖2為本發(fā)明中無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收示意圖，如2圖所示，如果開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)?中心S重合，則在風(fēng)干擾的情況下，飛機(jī)開(kāi)傘后會(huì)隨風(fēng)飄，不能落到回收?qǐng)鲋行?；通過(guò)本發(fā) 明方法找到的開(kāi)傘點(diǎn)是這樣的開(kāi)傘點(diǎn)與回收?qǐng)鲋行腟的連線與風(fēng)向平行，與北向的夾角
Ψ0 = Vw+180度，而距離回收?qǐng)鲋行牡木嚯x為D，D 二 -^Tjl，Η為開(kāi)傘點(diǎn)A高度、Vw為風(fēng)速，
Vy為無(wú)人機(jī)開(kāi)傘后的下降速度。這時(shí)，可找到唯一一個(gè)由夾角Vtl和距離D確定一個(gè)開(kāi)傘 點(diǎn)A。圖3為自動(dòng)開(kāi)傘回收控制方法流程圖，本發(fā)明首先估算回收?qǐng)龅乃斤L(fēng)速、風(fēng)向； 然后計(jì)算開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D ；然后根據(jù)D和Ψψ，解算得到開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度 L0和緯度Btl，最后將經(jīng)度Ltl、緯度Btl輸出給導(dǎo)航裝置，從而獲得側(cè)偏矩和側(cè)偏移速度，通過(guò) 副翼控制側(cè)偏矩、升降舵控制高度，從而實(shí)現(xiàn)將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)到開(kāi)傘點(diǎn)A開(kāi)傘，完成自動(dòng)傘降 回收過(guò)程。本發(fā)明的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，流程圖3所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟一通過(guò)測(cè)控地面站，向無(wú)人機(jī)發(fā)送“回收”指令，進(jìn)行回收?qǐng)鏊斤L(fēng)速Vw、風(fēng) 向Vw的估算；1)根據(jù)無(wú)人機(jī)的空速Vk、俯仰角Θ、航向角Ψ、東向地速V。北向地速Vn，獲取此 時(shí)空中風(fēng)速的東向分量Vwe、北向分量Vwn，如式(1)、⑵所示Vwn = Vdn-Vk · cos θ · cos Ψ (1)Vwe = Vde-Vk · cos θ · sin Ψ (2)2)根據(jù)風(fēng)速的東向分量Vwe及北向分量Vwn獲取風(fēng)速乂,和風(fēng)向，如式(3)、(4)所示 步驟二 獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D ；通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)傘后的下降速度Vy以及開(kāi)傘點(diǎn)A的高度H，獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)?中心S的距離D，如式(5)所示 步驟三確定開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度、緯度；通過(guò)回收?qǐng)鲋行腟的經(jīng)度L1、緯度B1、風(fēng)向Ψψ、開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D， 獲取開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度L0、緯度B0,如式(6)、(7)所示
式中，
Bci為回收?qǐng)鲋行腟的地心緯度，Sci = arctg[{
B1為回收?qǐng)鲋行腟的緯度； R長(zhǎng)為地球長(zhǎng)半軸，R長(zhǎng)6378137. Om ； R短為地球短半軸，
Ed 為地球橢偏度，Ed = 0. 003352811 (1/298. 25722)； 開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度Ltl為
式中，
L1為回收?qǐng)鲋行腟的經(jīng)度；
步驟四將開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度Ltl、緯度Btl作為到點(diǎn)坐標(biāo)位置輸出至無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航裝置，導(dǎo)航裝置解算出側(cè)偏矩Dz和側(cè)偏移速度然后利用無(wú)人機(jī)的飛行高度h、升降速度^、 橫滾角Y、橫滾角速率ωχ、俯仰角θ、俯仰角速率ωζ信息，及相應(yīng)的控制系數(shù)KY、kgl、kg2、 K0、Kh、KhI、Khd、Kuz，得到副翼控制指令和升降舵控制指令，如式(8)、(9)所示^ =Kr[r + kgl(kg2Dz + Dz)] + K^x(8)
之= KS[3- Kh{H-h)+ Khl I (H - h)dt + Khz h] + Κωζωζ(9〉其中，δ χ為副翼控制指令，δ ζ為升降舵控制指令，Ky為滾轉(zhuǎn)角控制系數(shù)，kgl為側(cè) 偏移速度控制系數(shù)，kg2為側(cè)偏距控制系數(shù)，K0為俯仰角控制系數(shù)，Kh為高度控制系數(shù)、Khl 為高度積分控制系數(shù)、Khd為高度微分控制系數(shù)、κωζ為俯仰角速率控制系數(shù)；根據(jù)副翼控制指令和升降舵控制指令通過(guò)升降舵控制和副翼控制使得無(wú)人機(jī)飛 向開(kāi)傘點(diǎn)Α，到達(dá)開(kāi)傘點(diǎn)后，執(zhí)行開(kāi)傘，完成傘降回收。在步驟四中，所述的控制系數(shù)KY、kgl、kg2、K0、Kh、KhI、Khd、Kuz的獲取方法為根據(jù)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的全量數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)小擾動(dòng)線性化方法得到 相應(yīng)的線性化方程，利用控制理論中的經(jīng)典控制方法選取控制系數(shù)Ky、kgl、kg2、K0、Kh、KhI、 Khd、Κωζ，然后利用無(wú)人機(jī)全量數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)是否能夠使得系 統(tǒng)滿足控制要求，如果滿足系統(tǒng)，則獲得控制系數(shù)，如果不滿足，重新選取。其中，建立無(wú)人 機(jī)全量數(shù)學(xué)模型、小擾動(dòng)線性化方法以及經(jīng)典控制方法在飛控專業(yè)相關(guān)書(shū)籍中均有詳細(xì)描 述。本發(fā)明所述的無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，充分利用無(wú)人機(jī)的俯仰角、航向角、 空速、地速信息，估算出回收?qǐng)龅乃斤L(fēng)速、風(fēng)向，進(jìn)而根據(jù)回收?qǐng)鲋行腟、找到一個(gè)適合的 開(kāi)傘點(diǎn)Α，通過(guò)副翼控制和升降舵控制，使得飛機(jī)在該點(diǎn)開(kāi)傘，提高了在有風(fēng)的情況下飛機(jī) 開(kāi)傘后的回收精度，更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的回收要求，從而提高了飛機(jī)回收的安全性。
權(quán)利要求
一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于包括以下幾個(gè)步驟步驟一通過(guò)測(cè)控地面站，向無(wú)人機(jī)發(fā)送“回收”指令，進(jìn)行回收?qǐng)鏊斤L(fēng)速Vw、風(fēng)向ψw的估算；步驟二獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D；步驟三確定開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度、緯度；步驟四將開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度L0、緯度B0作為到點(diǎn)坐標(biāo)位置輸出至無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航裝置，導(dǎo)航裝置解算出側(cè)偏矩Dz和側(cè)偏移速度，然后利用無(wú)人機(jī)的飛行高度h、升降速度橫滾角γ、橫滾角速率ωx、俯仰角θ、俯仰角速率ωz信息，及相應(yīng)的滾轉(zhuǎn)角控制系數(shù)Kγ、側(cè)偏移速度控制系數(shù)kg1、側(cè)偏距控制系數(shù)kg2、俯仰角控制系數(shù)Kθ、高度控制系數(shù)Kh、高度積分控制系數(shù)KhI、高度微分控制系數(shù)Khd俯仰角速率控制系數(shù)Kωz，得到副翼控制指令和升降舵控制指令；根據(jù)副翼控制指令和升降舵控制指令通過(guò)升降舵控制和副翼控制使得無(wú)人機(jī)飛向開(kāi)傘點(diǎn)A，到達(dá)開(kāi)傘點(diǎn)后，執(zhí)行開(kāi)傘，完成傘降回收。FSA00000187286200011.tif,FSA00000187286200012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于所述步驟 一通過(guò)測(cè)控地面站，向無(wú)人機(jī)發(fā)送“回收”指令，進(jìn)行回收?qǐng)鏊斤L(fēng)速Vw、風(fēng)向Vw的估算具 體為1)根據(jù)無(wú)人機(jī)的空速Vk、俯仰角Θ、航向角V、東向地速V。北向地速￥ ，獲取此時(shí)空 中風(fēng)速的東向分量Vwe、北向分量Vwn，如下所示Vwn = Vdn-Vk · COS θ · COS Ψ (1)Vwe = Vde-Vk · cos θ · sin Ψ (2)2)根據(jù)風(fēng)速的東向分量Vwe及北向分量Vwn獲取風(fēng)速乂.和風(fēng)向Vw，如下所示Vw =^vJ+Vj(3)^=arctg(^-)(4)0wn
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于所述步驟 二獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D具體為通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)傘后的下降速度Vy以及開(kāi)傘點(diǎn)A的高度H，獲取開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行?S的距離D，如下所示 H-VD = -Yjl⑶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于所述步驟 三具體為通過(guò)回收?qǐng)鲋行腟的經(jīng)度L1、緯度B1、風(fēng)向Ψψ、開(kāi)傘點(diǎn)A與回收?qǐng)鲋行腟的距離D，獲 取開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度Ltl、緯度Btl，如下所示開(kāi)傘點(diǎn)A的緯度Btl為B0 = arctgRP_及短 H + R 長(zhǎng),(6)式中，Bci為回收?qǐng)鲋行腟的地心緯度，Sci = arctg[(B1為回收?qǐng)鲋行腟的緯度； R長(zhǎng)為地球長(zhǎng)半軸，R*= 6378137. Om ； R短為地球短半軸，R*= 6356752. 3m ； Ed 為地球橢偏度，Ed = 0. 003352811 (1/298. 25722)； 開(kāi)傘點(diǎn)A的經(jīng)度Ltl為 L1為回收?qǐng)鲋行腟的經(jīng)度；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于所述步驟 四副翼控制指令和升降舵控制指令具體為 其中，\為副翼控制指令，\為升降舵控制指令，Κγ為滾轉(zhuǎn)角控制系數(shù)，kgl為側(cè)偏移 速度控制系數(shù)，kg2為側(cè)偏距控制系數(shù)，Ke為俯仰角控制系數(shù)，Kh為高度控制系數(shù)、Khl為高 度積分控制系數(shù)、Khd為高度微分控制系數(shù)、Κωζ為俯仰角速率控制系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，其特征在于所述步驟 四中，控制系數(shù)KY、kgl、kg2、K0、Kh、KhI、Khd、Kuz的獲取方法為根據(jù)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的全量數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)小擾動(dòng)線性化方法得到相應(yīng) 的線性化方程，利用控制理論中的經(jīng)典控制方法選取控制系數(shù)KY、kgl、kg2、Κθ, Kh, KhI、Khd、 K z，然后利用無(wú)人機(jī)全量數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)是否能夠使得系統(tǒng) 滿足控制要求，如果滿足，則獲得控制系數(shù)，如果不滿足，重新選取。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)傘降回收控制方法，本發(fā)明充分利用空速、地速、俯仰角、航向角等信息，估算空中水平風(fēng)速及風(fēng)向，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)回收?qǐng)鲋行慕馑愠鲆粋€(gè)開(kāi)傘點(diǎn)，并通過(guò)副翼控制側(cè)偏矩和升降舵控制飛行高度，引導(dǎo)并控制飛機(jī)達(dá)到該點(diǎn)開(kāi)傘，完成傘降回收控制，利用本發(fā)明提供自動(dòng)傘降回收控制方法，可以提高在有風(fēng)的情況下飛機(jī)開(kāi)傘后的回收精度，更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的回收要求，從而提高了飛機(jī)回收的安全性。
文檔編號(hào)G05D1/00GK101893892SQ201010225088
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者張翠萍, 舒婷婷, 鄭麗麗 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)