專利名稱：一種基于無(wú)線電和激光引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)在GPS設(shè)備發(fā)生故障或者GPS信號(hào)被干擾和丟失情況下飛機(jī)可以安全、精確著陸的方法，增加無(wú)人機(jī)降落時(shí)的安全性，提高機(jī)場(chǎng)安全保障條件。
背景技術(shù)：
無(wú)人機(jī)降落時(shí)必須以特定的航向角度和高度接近跑道才能準(zhǔn)確降落，在這個(gè)過程中，傳統(tǒng)的著陸過程是無(wú)人機(jī)通過GPS所給出的位置信息、高度信息、速度方向信息來(lái)進(jìn)行航跡控制的。但是，機(jī)載GPS設(shè)備一旦發(fā)生故障或者GPS信號(hào)被干擾和丟失，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)引導(dǎo)系統(tǒng)停止工作，會(huì)影響到無(wú)人機(jī)的安全降落，嚴(yán)重情況下無(wú)人機(jī)甚至?xí)G失墜毀。目前，在滑跑起降無(wú)人機(jī)的安全回收中，很少有無(wú)人機(jī)具備應(yīng)急的著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，當(dāng)GPS出現(xiàn)故障和問題時(shí)，無(wú)人機(jī)操作手只能開啟手動(dòng)遙控飛機(jī)降落或者靠精度較差的無(wú)線電引導(dǎo)來(lái)使無(wú)人機(jī)降落，這導(dǎo)致無(wú)人機(jī)可以安全降落的幾率大大降低。因此，隨著無(wú)人機(jī)著陸引導(dǎo)在現(xiàn)代無(wú)人機(jī)中的作用越來(lái)越重要，有必要設(shè)計(jì)一種在無(wú)人機(jī)無(wú)GPS情況下應(yīng)急著陸引導(dǎo)的方法，從而保證無(wú)人機(jī)的精確著陸，增加無(wú)人機(jī)降落時(shí)的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無(wú)線電和激光引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸方法，可以在無(wú)GPS情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精確安全著陸。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于無(wú)線電和激光引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸方法，方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對(duì)準(zhǔn)跑道中心線，以正負(fù)5度到正負(fù)10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個(gè)激光接收器安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)翼的兩個(gè)端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無(wú)人機(jī)的設(shè)備艙內(nèi)；在無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)急著陸方法步驟如下:(I)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無(wú)線電引導(dǎo)模式，地面測(cè)控站通過無(wú)線電將無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)；(2)無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息，粗略推算出無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度信息，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進(jìn)行自主導(dǎo)航，直至飛入進(jìn)場(chǎng)窗口 ；(3)無(wú)人機(jī)根據(jù)地面測(cè)控站的無(wú)線電引導(dǎo)，沿著跑道中線方向定高平飛；(4)進(jìn)入激光引導(dǎo)窗口，即無(wú)人機(jī)飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟⑶;(5)無(wú)人機(jī)維持原飛行狀態(tài)，在此過程中繼續(xù)判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，與此同時(shí)飛行控制系統(tǒng)判斷無(wú)人機(jī)距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無(wú)人機(jī)復(fù)飛返場(chǎng)，從步驟(4)重新開始；(6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無(wú)人機(jī)當(dāng)前的方向以及無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前方向調(diào)整無(wú)人機(jī)以正對(duì)跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離控制無(wú)人機(jī)在跑道上安全著陸。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:(I)為了克服機(jī)載GPS設(shè)備一旦發(fā)生故障或者GPS信號(hào)被干擾和丟失情況下導(dǎo)致整個(gè)無(wú)人機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)停止工作而無(wú)法安全著陸的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的應(yīng)急著陸方法，通過將著陸過程分成遠(yuǎn)距離引導(dǎo)和近距離引導(dǎo)兩部分，分別通過無(wú)線電進(jìn)行遠(yuǎn)距離粗調(diào)，通過激光引導(dǎo)取代GPS接收機(jī)所得到的相關(guān)信息進(jìn)行精調(diào)，保證無(wú)人機(jī)的安全降落。(2)本發(fā)明在安全著陸過程中，采用傳統(tǒng)可靠的進(jìn)場(chǎng)窗口，通過設(shè)置著陸安全最低限，在沒有進(jìn)入安全最低限前接收到激光信息時(shí)，能夠保證無(wú)人機(jī)有足夠的時(shí)間和距離進(jìn)行安全著陸，否則，通過重新返場(chǎng)的方式進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)著陸的安全性。


圖1是本發(fā)明遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)過程示意圖；圖2是本發(fā)明近距離激光引導(dǎo)過程示意圖；圖3是本發(fā)明無(wú)人機(jī)進(jìn)場(chǎng)、應(yīng)急引導(dǎo)與復(fù)飛不意圖；圖4是本發(fā)明激光掃描、引導(dǎo)示意圖；圖5是本發(fā)明應(yīng)急著陸方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，為了更好的理解本發(fā)明，下面首先對(duì)本發(fā)明依托的設(shè)備進(jìn)行解釋。本發(fā)明依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對(duì)準(zhǔn)跑道中心線，以正負(fù)5度到正負(fù)10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，掃描頻率一定。兩個(gè)激光接收器安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)翼的兩個(gè)端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無(wú)人機(jī)的設(shè)備艙內(nèi)，通過串口與飛控計(jì)算機(jī)相連。如圖5所示，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，地面測(cè)控站計(jì)算機(jī)把地面測(cè)控站GPS接收機(jī)送來(lái)的位置數(shù)據(jù)與測(cè)控站的實(shí)際位置數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行比較，得到位置修正量，并通過地面測(cè)控站的無(wú)線電臺(tái)發(fā)射出去。機(jī)載計(jì)算機(jī)把GPS接收機(jī)送來(lái)的飛機(jī)位置數(shù)據(jù)與無(wú)線電接收機(jī)送來(lái)的位置修正量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到比較準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)，再把該數(shù)據(jù)與預(yù)定航線進(jìn)行比較得到實(shí)際航跡點(diǎn)偏離預(yù)定航線的誤差信號(hào)，并把它送到飛行控制系統(tǒng)，使飛機(jī)回到預(yù)定航向上，完成飛行任務(wù)時(shí)的自主GPS導(dǎo)航；當(dāng)飛機(jī)需要降落時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)得到的比較準(zhǔn)確的GPS位置數(shù)據(jù)確定當(dāng)前航跡，并與預(yù)定下滑航跡進(jìn)行比較，得出偏差，并把偏差量送到飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)控制無(wú)人機(jī)的飛行位置，使其跟蹤降落下滑航線，按照預(yù)先規(guī)劃的航線安全降落。當(dāng)機(jī)載GPS設(shè)備發(fā)生故障，或者GPS信號(hào)受到干擾和丟失時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致上述無(wú)人機(jī)的正常工作流程無(wú)法順利進(jìn)行，飛機(jī)的飛行任務(wù)和降落過程都會(huì)受到影響，飛行控制系統(tǒng)由于得不到有效的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確的控制飛機(jī)航跡，更無(wú)法精確將無(wú)人機(jī)引導(dǎo)著陸。
本發(fā)明正是為了解決上述問題而設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，主要包含遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)和近距離激光引導(dǎo)兩部分。
一、遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)
遠(yuǎn)程無(wú)線電引導(dǎo)階段，從機(jī)載GPS發(fā)生故障后由地面測(cè)控站用無(wú)線電引導(dǎo)飛機(jī)到達(dá)進(jìn)場(chǎng)窗口至激光引導(dǎo)窗口為止。在圖1中，遠(yuǎn)程無(wú)線電引導(dǎo)的主要構(gòu)成是地面測(cè)控站。它是無(wú)人機(jī)自帶的地面測(cè)控站，由于需要提供相對(duì)準(zhǔn)確的無(wú)線電測(cè)角，所以需要將測(cè)控站準(zhǔn)確的平行或者垂直于跑道進(jìn)行固定，并與經(jīng)過標(biāo)定的跑道航向進(jìn)行初始校準(zhǔn)，使得地面測(cè)控站的GPS信息滿足精度要求。
具體步驟如下:
(I)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無(wú)線電引導(dǎo)模式，地面測(cè)控站通過無(wú)線電將無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)；
(2)無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息，如圖1所示，粗略推算出無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度信息，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進(jìn)行自主導(dǎo)航，直至飛入進(jìn)場(chǎng)窗口 ；
如圖3所示，進(jìn)場(chǎng)窗口定義為距離機(jī)場(chǎng)跑道近端頭13-15公里，高度500-800米的范圍。
無(wú)人機(jī)通過無(wú)線電與地面測(cè)控站完成數(shù)據(jù)通信，地面測(cè)控站具備無(wú)線電信號(hào)搜索、跟蹤和定位功能，可以使無(wú)人機(jī)始終沿?zé)o線電指示軌跡飛行；測(cè)控站天線具有兩軸伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)的方向傳感器測(cè)量天線的水平和俯仰角度變化進(jìn)而獲取無(wú)人機(jī)的方位角和俯仰角，給出無(wú)人機(jī)當(dāng)前航跡與預(yù)定航跡的偏差，同時(shí)通過無(wú)線電信號(hào)測(cè)距裝置就可以提供無(wú)人機(jī)相對(duì)于地面測(cè)控站的位置，再根據(jù)地面測(cè)控站的已預(yù)先采集的地面測(cè)控站GPS位置信息就可以完成對(duì)無(wú)人機(jī)的粗略定位。最后，經(jīng)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)將這些信息傳送到飛行控制系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)航跡進(jìn)行修正，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制飛機(jī)。無(wú)人機(jī)通過推算出來(lái)的位置信息和自身高度傳感器給出的高度信息，就可以完成在無(wú)GPS情況下的自主導(dǎo)航，飛到指定區(qū)域。
當(dāng)然，此過程也可以通過人工根據(jù)無(wú)人機(jī)傳輸至地面測(cè)控站的無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度信息進(jìn)行人工導(dǎo)航，直至飛到制定區(qū)域。
(3)無(wú)人機(jī)根據(jù)地面測(cè)控站的無(wú)線電引導(dǎo)，沿著跑道方向定高平飛；
遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)過程中，無(wú)人機(jī)需要以固定高度飛行，航程約5 7km，這個(gè)過程中，在飛機(jī)到達(dá)激光引導(dǎo)窗口之前，飛機(jī)要飛入激光掃描光束的扇形區(qū)域內(nèi)。在遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)階段激光掃描設(shè)備就需要開啟并進(jìn)行掃描。
二、近距離激光引導(dǎo)
近距離激光引導(dǎo)是從激光引導(dǎo)窗口至著陸階段。近距離激光引導(dǎo)中需要利用的設(shè)備包括無(wú)人機(jī)上自帶的磁航向儀。預(yù)先在跑道上根據(jù)已經(jīng)標(biāo)定好的跑道航向，對(duì)磁航向儀的偏差進(jìn)行修正，用做無(wú)人機(jī)飛行和應(yīng)急著陸航向控制和滑跑控制。
具體步驟如下:(4)進(jìn)入激光引導(dǎo)窗口，即無(wú)人機(jī)飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟⑶;(5)無(wú)人機(jī)維持原飛行狀態(tài)(方向及高度)，并判斷無(wú)人機(jī)距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無(wú)人機(jī)復(fù)飛返場(chǎng)，從步驟(4)重新開始；(6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無(wú)人機(jī)當(dāng)前的方向以及無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前方向調(diào)整無(wú)人機(jī)以正對(duì)跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離控制無(wú)人機(jī)在跑道上安全著陸。這里激光掃描器以某一固定頻率向外發(fā)射脈沖激光束，并且對(duì)脈沖激光束進(jìn)行了編碼工作，即不同的掃描角度處的激光脈沖信息不同，由此可以確定出激光接收器接收到的激光束所攜帶的方位信息。圖4中的β i和β 2就是兩個(gè)激光接收器(Al、Α2)與激光掃描器連線和跑道中線所成的角度，此時(shí)假設(shè)無(wú)人機(jī)與和垂直跑道中線垂直線L所成角度供飛行，P角可以由飛機(jī)上的磁航向儀給出，那么就可以根據(jù)幾何關(guān)系求出圖中所示的91和Θ 2角，兩激光接收器的安裝距離D是已知量，再由三角關(guān)系就能求出圖中所示的R，也就可以計(jì)算出激光發(fā)射器到無(wú)人機(jī)的距離S，這里無(wú)人機(jī)的高度信息由無(wú)線電高度表給出，根據(jù)
勾股定理可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)的高度角。無(wú)人機(jī)的側(cè)偏角由β i和β 2確定(# =/J)，
高度角由S和無(wú)線電高度表來(lái)求出，由此可以確定無(wú)人機(jī)的方向信息(高度角，側(cè)偏角)和位置信息(距離S，無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度等)，其中所得的側(cè)偏角是無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸的所需的重要參考信息。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前側(cè)偏角調(diào)整無(wú)人機(jī)以正對(duì)跑道中心的方向飛行，將當(dāng)前高度角與預(yù)先設(shè)定的高度角(4度一般)進(jìn)行比對(duì)，調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行高度，控制高度差，使其跟蹤預(yù)先設(shè)定的降落下劃線，并根據(jù)無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離控制無(wú)人機(jī)在跑道上安全著陸。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)線電和激光引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸方法，其特征在于:方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對(duì)準(zhǔn)跑道中心線，以正負(fù)5度到正負(fù)10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個(gè)激光接收器安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)翼的兩個(gè)端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無(wú)人機(jī)的設(shè)備艙內(nèi)；在無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)急著陸方法步驟如下: (1)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無(wú)線電引導(dǎo)模式，地面測(cè)控站通過無(wú)線電將無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)； (2)無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無(wú)人機(jī)到地面測(cè)控站的距離、方位角、俯仰角和地面測(cè)控站的GPS經(jīng)緯度信息，粗略推算出無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度信息，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進(jìn)行自主導(dǎo)航，直至飛入進(jìn)場(chǎng)窗口: (3)無(wú)人機(jī)根據(jù)地面測(cè)控站的無(wú)線電引導(dǎo)，沿著跑道中線方向定高平飛； (4)進(jìn)入激光引導(dǎo)窗口，即無(wú)人機(jī)飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟(6)； (5)無(wú)人機(jī)維持原飛行狀態(tài)，在此過程中繼續(xù)判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，與此同時(shí)飛行控制系統(tǒng)判斷無(wú)人機(jī)距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無(wú)人機(jī)復(fù)飛返場(chǎng)，從步驟(4)重新開始； (6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無(wú)人機(jī)當(dāng)前的方向以及無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前方向調(diào)整無(wú)人機(jī)以正對(duì)跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無(wú)人機(jī)與激光掃描器之間的距離控制無(wú)人機(jī)在跑道上安全著陸。
全文摘要
一種基于無(wú)線電和激光引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急著陸方法，方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對(duì)準(zhǔn)跑道中心線，以正負(fù)5度到正負(fù)10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個(gè)激光接收器安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)翼的兩個(gè)端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無(wú)人機(jī)的設(shè)備艙內(nèi)；在無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)，通過遠(yuǎn)距離無(wú)線電引導(dǎo)和近距離激光引導(dǎo)兩部分實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的應(yīng)急著陸。
文檔編號(hào)G05D1/10GK103149938SQ20131011950
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者蔡永恒, 王剛, 李剛 申請(qǐng)人:中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院