伞降固定翼无人机自主定点回收方法

摘要

本发明提供了一种伞降固定翼无人机自主定点回收方法，首先设定回收点和回收航向，并判断该设定是否具备回收条件；在需要自主回收时生成进近降高航线，并控制飞机沿进近降高航线飞行；然后生成回收航线，并控制飞机沿回收航线飞行；根据机上测量风速风向修正回收航线，并控制飞机跟随修正的回收航线；最终在飞机接近回收点时控制发动机停车并开伞。本发明极大简化了飞机回收操作流程，减轻了无人机操作人员的操作负担，增强了无人机自主性，降低了无人机对通信条件的依赖。

权利要求

1.一种伞降固定翼无人机自主定点回收方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1，设定回收点P的坐标(x0,y0)和回收航向α；

步骤2，判断步骤1的设定是否具备回收条件，具体步骤如下：步骤2.1，生成回收区，回收区为长度L＝0.5(Vsmin+Vsmax)T0、宽度W＝2(ts+hs/vd)V0的矩形，其中，Vsmin、Vsmax为安全开伞速度上下界，ts为飞机停车到开伞时间间隔，hs为飞机开伞安全高度，vd为飞机开伞后平均下降速度，T0为时间常数，取180，V0为速度常数，取20；回收区的四个顶点位置为：步骤2.2，生成进近区，进近区是圆心在点O、半径为6R的圆形，其中R为飞机最小盘旋半径，点O的坐标为步骤2.3，在数字高程地图中遍历回收区和进近区内网格点的高度，若存在点(x,y)的高度HT大于回收点P的高度H0与hs之和，则返回步骤1重新设定回收点P的坐标和回收航向，否则进入下一步；

步骤3，人工发出自主回收指令或机载程序判断数据链失效需要自主回收时，生成进近降高航线，并控制飞机沿进近降高航线飞行；生成进近降高航线的步骤如下：步骤3.1，计算飞机与点O的距离Do，若Do>6R则进入步骤3.2；否则以目标点为圆心，3R为半径，H0+hs为给定高度，控制飞机进行顺时针圆盘飞行，进入步骤4；

步骤3.2，将飞机当前位置与点O连线，在数字高程地图中遍历该连线上各点的高度，搜索到最高高度Hh，令Hh+hs为飞机给定高度，控制飞机以点O为目标点飞行；

步骤3.3，等待5秒后返回步骤3.1；

步骤4，生成回收航线，并控制飞机沿回收航线飞行，生成回收航线的步骤如下：步骤4.1，每隔1秒检测一遍以下条件，当飞机同时满足四个条件时进入步骤4.2；四个条件为：(1)飞机高度H满足H0+hs-Δh

(2)飞机空速Va满足Vsmin

(3)飞机处于圆心为点O’、半径为 的圆内，点O’的坐标为(4)航迹偏差的绝对值|d|<Δd，其中Δd为水平导航控制精度；

步骤4.2，设定目标点为回收点P，进入航线点坐标为 回收航向α，给定高度H0+hs；

步骤5，根据机上测量风速风向修正回收航线，并控制飞机跟随修正的回收航线，修正回收航线的步骤如下：步骤5.1，航迹偏差的绝对值|d|<Δd且持续10秒后进入步骤5.2；

步骤5.2，风速估计 其中，ΔSx、ΔSy为飞机卫星定位位置在一个卫星定位周期中在x，y方向上的位移，Δt为卫星定位周期，φ为回收航向α；每个卫星定位周期进行一次风速估计，连续10个卫星定位周期后求平均值；

步骤5.3，修正回收航线的目标点P’，目标点P’的坐标为(x0-[vats cosφ平+wx(ts+hs/vd)],y0-[vats sinφ平+wy(ts+hs/vd)])，其中φ平为前10个卫星定位周期的飞机航向角平均值；

步骤6，计算飞机与点P’的距离Dp’， 时认为飞机已接近回收点，控制发动机停车；其中dreach为航点接近门限；

步骤7，等待ts秒后控制飞机开伞；

步骤8，飞机落地后根据机械触地开关控制飞机切伞。

说明书

伞降固定翼无人机自主定点回收方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无人机回收技术。

背景技术

[0002] 无人机由于其成本低、用途广泛等优点，近年来已成为业界发展的热点。其中伞降固定翼无人机以其续航时间长、对场地要求低等特点，非常适合应用于勘探、巡线、林业等需要大范围长时间巡航且发射回收场地条件差的场合。

[0003] 尽管对场地要求较低，且不需要跑道等基础设施，伞降回收无人机在回收时仍需要考虑回收场地的基本情况，除地面基本情况如是否平整、是否有积水、地面软硬程度等必须人为考察的局部地形因素外，还包括周边有无高大山脉和建筑物拦阻以及风速风向对伞降的影响等因素。因此，无人机的安全回收成为无人机操纵者在驾驶无人机时需要着重考虑的问题。

[0004] 目前应用中的无人机回收技术还是依赖人为规划。通常的回收流程是：人工选取合适的回收点、回收航向和停车高度，根据地面测量风速风向估计出飞机的回收点和开伞点，再根据这两点规划出回收航线，使飞机按照回收航线飞行并按规划执行发动机停车和开伞，最终完成回收。其中回收点和停车高度的选择需要考察场地局部地形和场地高度，回收航向需要考察周边地形遮挡和风向风速。在进入回收航线的过程中，由于没有地面高程的辅助，还需要人工控制进近降高过程，无法真正做到自主化回收。

[0005] 目前的回收方式需要无人机操纵者具备较丰富的回收经验，同时在地面站和飞机通信故障的条件下，由于无法人工上传回收航线，飞机回收存在较大的安全风险。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种伞降固定翼无人机自主定点回收方法，利用机载数字高程地图，在给定回收点和回收航向的条件下，由飞机自主形成回收过程，完成自主定点回收。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

[0008] 步骤1，设定回收点P的坐标(x0,y0)和回收航向α；

[0009] 步骤2，判断步骤1的设定是否具备回收条件，具体步骤如下：

[0010] 步骤2.1，生成回收区，回收区为长度L＝0.5(Vsmin+Vsmax)T0、宽度W＝2(ts+hs/vd)V0的矩形，其中，Vsmin、Vsmax为安全开伞速度上下界，ts为飞机停车到开伞时间间隔，hs为飞机开伞安全高度，vd为飞机开伞后平均下降速度，T0为时间常数，取180，V0为速度常数，取20；回收区的四个顶点位置为：

[0011]

[0012]

[0013]

[0014]

[0015] 步骤2.2，生成进近区，进近区是圆心在点O、半径为6R的圆形，其中R为飞机最小盘旋半径，点O的坐标为

[0016] 步骤2.3，在数字高程地图中遍历回收区和进近区内网格点的高度，若存在点(x,y)的高度HT大于回收点P的高度H0与hs之和，则返回步骤1重新设定回收点P的坐标和回收航向，否则进入下一步；

[0017] 步骤3，人工发出自主回收指令或机载程序判断数据链失效需要自主回收时，生成进近降高航线，并控制飞机沿进近降高航线飞行；生成进近降高航线的步骤如下：

[0018] 步骤3.1，计算飞机与点O的距离Do，若Do>6R则进入步骤3.2；否则以目标点为圆心，3R为半径，H0+hs为给定高度，控制飞机进行顺时针圆盘飞行，进入步骤4；

[0019] 步骤3.2，将飞机当前位置与点O连线，在数字高程地图中遍历该连线上各点的高度，搜索到最高高度Hh，令Hh+hs为飞机给定高度，控制飞机以点O为目标点飞行；

[0020] 步骤3.3，等待5秒后返回步骤3.1；

[0021] 步骤4，生成回收航线，并控制飞机沿回收航线飞行，生成回收航线的步骤如下：

[0022] 步骤4.1，每隔1秒检测一遍以下条件，当飞机同时满足四个条件时进入步骤4.2；四个条件为：

[0023] (1)飞机高度H满足H0+hs-Δh

[0024] (2)飞机空速Va满足Vsmin

[0025] (3)飞机处于圆心为点O’、半径为 的圆内，点O’的坐标为

[0026]

[0027] (4)航迹偏差的绝对值|d|<Δd，其中Δd为水平导航控制精度；

[0028] 步骤4.2，设定目标点为回收点P，进入航线点坐标为给定航线角α，给定高度H0+hs；

[0029] 步骤5，根据机上测量风速风向修正回收航线，并控制飞机跟随修正的回收航线，修正回收航线的步骤如下：

[0030] 步骤5.1，航迹偏差的绝对值|d|<Δd且持续10秒后进入步骤5.2；

[0031] 步骤5.2，风速估计 其中，ΔSx、ΔSy为飞机卫星定位位置在一个卫星定位周期中在x，y方向上的位移，Δt为卫星定位周期，φ为飞机航向角；每个卫星定位周期进行一次风速估计，连续10个卫星定位周期后求平均值；

[0032] 步骤5.3，修正回收航线的目标点P’，目标点P’的坐标为(x0-[vatscosφ平+wx(ts+hs/vd)],y0-[vatssinφ平+wy(ts+hs/vd)])，其中φ平为前10个卫星定位周期的飞机航向角平均值；

[0033] 步骤6，计算飞机与点P’的距离Dp’， 时认为飞机已接近回收点，控制发动机停车；其中dreach为航点接近门限；

[0034] 步骤7，等待ts秒后控制飞机开伞；

[0035] 步骤8，飞机落地后根据机械触地开关控制飞机切伞。

[0036] 本发明的有益效果是：由于利用了数字高程地图和机载风速估计手段，极大简化了飞机回收操作流程，减轻了无人机操作人员的操作负担。

[0037] 由于本方法可以在无人机起飞前设定，保证了在无人机数据链故障的情况下，无人机能按照本方法安全、准确的降落在回收场地，增强了无人机自主性，降低了无人机对通信条件的依赖。

附图说明

[0038] 图1是本方法总流程图；

[0039] 图2是本方法回收设定流程图；

[0040] 图3是本方法控制飞机进入进近航线流程图；

[0041] 图4是本方法控制飞机进入回收航线流程图；

[0042] 图5是本方法控制飞机进入修正回收航线流程图；

[0043] 图6是本方法控制飞机完成回收流程图；

[0044] 图7是本方法无人机回收过程平面示意图。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

[0046] 本发明所涉方法步骤如下：

[0047] 1.人工设定回收点P(x0,y0)(北东坐标系中)和回收航向α。

[0048] 2.判断回收设定是否具备回收条件。具体判断步骤如下：

[0049] 1)根据给定回收点和回收方向生成回收区。回收区为长度L，宽度W的矩形。其中L＝0.5(Vsmin+Vsmax)T0，W＝2(ts+hs/vd)V0，其中Vsmin、Vsmax为安全开伞速度上下界，单位为米/秒，ts为飞机停车到开伞时间间隔，hs为飞机开伞安全高度，vd为飞机开伞后平均下降速度，T0为时间常数，取180秒，V0为速度常数，取20米/秒。其四个顶点位置为:

[0050]

[0051]

[0052]

[0053]

[0054] 2)根据给定回收点、回收方向和计算出的回收区生成进近区。进近区为半径为6R的圆形。其中R为飞机最小盘旋半径。其中心坐标为点O：

[0055]

[0056] 3)遍历数字高程地图中在回收区和进近区范围内的网格点的高度，若存在点(x,y)的高度HT大于设定回收点(x0,y0)的高度H0与飞机安全开伞高度hs之和，即：

[0057] HT>H0+hs

[0058] 则返回回收设定不符合回收条件，返回步骤1重新进行回收设定。若回收设定符合回收条件则进入下一步。

[0059] 3.人工发出自主回收指令或机载程序判断数据链失效需要自主回收时，生成进近降高航线，并控制飞机沿进近降高航线飞行。生成进近降高航线的具体步骤如下：

[0060] 1)计算飞机与点O距离Do。若Do>6R则进入步骤3的步骤2)；若Do≤6R则以目标点为圆心，3R为半径，H0+hs为给定高度，控制飞机进行顺时针圆盘飞行，跳过2)进入4.进行回收航线判定。

[0061] 2)将飞机当前位置与点O连线，遍历数字高程地图中在该连线上点的高度，搜索到最高高度为Hh，令Hh+hs为飞机给定高度，控制飞机以点O为目标点飞行。

[0062] 3)等待5秒并返回步骤3的步骤1)。

[0063] 4.当飞机符合高度位置速度条件，生成回收航线，并控制飞机沿回收航线飞行。具体步骤如下：

[0064] 1)当飞机同时满足以下四个条件时，进入步骤4的步骤2)，否则每隔1秒检查一次这四个条件：

[0065] A.飞机高度H0+hs-Δh

[0066] B.飞机空速Vsmin

[0067] C.飞机处于圆心为点O’

[0068]

[0069] 半径为 的圆内。

[0070] D.航迹偏差的绝对值|d|<Δd，其中Δd为水平导航控制精度。

[0071] 2)设定目标点为预定回收点P(x0,y0)，进入航线航点为点E：

[0072]

[0073] 给定航线角为α，给定高度为H0+hs，控制飞机沿此航线飞行。

[0074] 5.根据机上测量风速风向修正回收航线，并控制飞机跟随修正的回收航线。具体步骤如下：

[0075] 1)航迹偏差的绝对值|d|<Δd且持续10秒时，认为飞机已经稳定进入回收航线，进行风速估计。

[0076] 2)风速估计采用单位时间内卫星定位位置位移与空速求差的方式：

[0077] wx＝ΔSx/Δt-vacosφ

[0078] wy＝ΔSy/Δt-vasinφ

[0079] 其中ΔSx，ΔSy为飞机卫星定位位置在一个卫星定位周期中在x，y(北、东)方向上的位移，Δt为卫星定位周期，φ为飞机航向角。风速测量每个卫星定位周期测一次，连续测10个卫星定位周期求平均。

[0080] 3)修正回收航线。设定目标点P’为：

[0081] (x0-[vatscosφ平+wx(ts+hs/vd)],y0-[vatssinφ平+wy(ts+hs/vd)])

[0082] 其中φ平为前10个卫星定位周期的飞机航向角平均值。给定航线角为α，给定高度为H0+hs，控制飞机沿此航线飞行。

[0083] 6.在飞机接近停车点时控制发动机停车，飞机接近判据如下：

[0084] 1)计算飞机与P’点距离Dp’，当下式满足时认为飞机已接近回收点并停车：

[0085]

[0086] 其中dreach为航点接近门限。

[0087] 7.发动机停车后等待ts秒后控制飞机开伞。

[0088] 8.飞机落地后根据机械触地开关控制飞机切伞。完成回收。

[0089] 本发明在设定好回收点和回收航向并判断其符合回收要求的情况下，可以在发出回收指令后或在数据通信中断的情况下，在无人为干预的情况下完成飞机回收。

[0090] 由于本回收方法的总框架为首先控制飞机盘旋降高，然后沿回收航向直线飞往回收点最后完成回收。所以本发明需要飞机具备沿给定直线和给定圆周飞行的能力。

[0091] 下面简要解释本发明的步骤和参数选择依据。

[0092] 首先是在给定回收点和回收航向的情况下，生成回收区和进近区，用来判断回收设定是否符合高度地形要求。

[0093] 如图7所示，回收区为沿回收航向的长条状矩形。预计的回收点置于长条状矩形的2/3处，即飞机沿回收区飞行2/3时回收。剩余1/3长度预留，用于飞机在因各种原因回收失败需要复飞或迫降时的调整长度。回收区长度的选择是考虑正常情况下飞机在回收航线上飞行2分钟，则整个回收区长度L可供飞机飞行3分钟。考虑到飞机沿回收航线飞行时的空速需满足开伞需求，即空速处于Vsmin,Vsmax为安全开伞速度上下界之间。取其上下界均值作为速度估计值。由此计算出L＝0.5(Vsmin+Vsmax)T0，T0为180秒。回收区宽度的选择主要考虑飞机飞行中受侧风影响造成的相对于回收航线的侧向偏移。在W＝2(ts+hs/vd)V0中，ts+hs/vd为估算的飞机从停车到落地需要的时间。其中ts为飞机从停车到开伞的时间，该值为程序设定固定值，根据飞机和发动机的特性设定。vd为飞机开伞稳定后的下沉率，该值可以根据降落伞和飞机的特性测出。hs为飞机开伞安全高度，该值为经验值。V0为最大侧风值，设为20米/秒，则W/2为侧风影响下的最大侧向偏移。整个回收区宽度取W。根据估算出的L，W以及给定的回收点位置和回收航向，根据图7可以计算出回收区定点位置为：

[0094]

[0095]

[0096]

[0097]

[0098] 下面再根据回收区位置计算进近区位置。进近区为飞机盘旋降高的区域。整个进近过程设定飞机顺时针圆形盘旋降高，圆形航线与回收航线相切。由于飞机下降阶段速度较快，盘旋半径会显著大于巡航时的最小盘旋半径，一般设定为进近圆盘旋半径为最小盘旋半径R的3倍，考虑到飞机下降阶段航迹偏差较大，以6R为半径的圆应能覆盖飞机整个进近范围。根据回收区位置和相切条件，由图7可以计算出回收区定点位置为：

[0099]

[0100] 生成进近区和回收区后，检查数字高程地图上这两个区域的网格节点高度，由于飞机回收时控制高度为回收点高度加安全开伞高度，所以这两个区域所有点的高度不应高于H0+hs。如果存在网格节点高度高于H0+hs，则说明设置的回收点和回收航向不符合自主回收要求，返回设置环节重新设置回收点和回收航向。

[0101] 若回收点和回收航向符合回收要求，则等待人工发出自主回收指令或机载程序判断需要应急自主回收。

[0102] 进入自主回收流程后，首先控制飞机进入进近航线。进近航线是3R半径的顺时针圆形。当飞机距进近航线较远，即飞机与进近航线圆心O距离大于6R时，首先控制飞机飞往点O，同时为飞行安全，需要设定飞机高于路径上的最高点Hh，同时留出一定安全高度，取安全高度为hs，即将飞行高度设为Hh+hs。每飞行5秒就对距离进行一次更新，若距离仍大于6R，就根据当前路径更新一次高度，继续飞行；若发现距离已经小于6R就控制飞机进入进近航线：以O为圆心，3R为半径，H0+hs为高度进行顺时针圆盘旋。

[0103] 飞机在进近航线飞行的目的是降低高度并在顺时针盘旋的过程中控制飞机航向贴近回收航线，方便进入回收航线。

[0104] 在进近航线飞行过程中，程序每隔1秒检查一次进入回收航线条件是否满足。回收航线条件包括高度条件，空速条件，航偏条件和位置条件。

[0105] 高度条件为飞机高度满足H0+hs-Δh

[0106] 空速条件为飞机空速满足Vsmin

[0107] 航偏条件为航迹偏差的绝对值|d|<Δd，即保证飞机沿进近航线飞行；

[0108] 位置条件为飞机位于圆心为点O’

[0109]

[0110] 半径为 的圆内。位置条件的设置是为了方便飞机进入回收航线，如图7所示，当飞机位于位置条件的圆，即图7中的准备回收区时，由于飞机同时沿进近航线飞行，则飞机此时沿准备回收区覆盖的1/4圆弧飞行，此时的飞机机头指向与回收航向相差很小，可以可以平滑进入回收航线。

[0111] 当飞机满足以上四个条件时，表明飞机已经可以顺利进入回收航线并进行回收。此时即控制飞机沿回收点P(x0,y0)，和进入回收航线航点 确
定的线段飞行。给定航线角为为α，给定高度为H0+hs。

[0112] 此时的回收航线未考虑风速影响。由于飞机沿回收航线飞行时，由于发动机未停车，飞机动力可以克服风速影响，但发动机停车后到落地的过程中，风速会持续影响飞机偏离回收点。这时就需要考虑调整回收航线，对风速进行补偿。

[0113] 首先考虑发动机停车后飞机在风速和飞机停车空速的影响下的运动位移。可以将停车后飞机的运动过程分为开伞前和开伞后。由于发动机停车到开伞时间ts很短，可以认为飞机在飞机停车时的空速和风速共同作用下进行匀速运动，且高度基本不变。于是开伞前飞机位移为:(vatscosφ+wxts,vatssinφ+wyts)，φ为飞机停车时航向角。开伞后，由于伞的影响，飞机剩余空速迅速归零。变成飞机在风速影响下向地面飘落。飞机开伞后，由于伞的拉力与飞机重力平衡，飞机在纵向上会快速进入匀速下落阶段，这样可以将飞机由开伞到落地时间估算为hs/vd，在这段时间内，飞机位移为(wxhs/vd,wyhs/vd)。所以飞机停车到落地的水平位移估算为：

[0114] (vatscosφ+wx(ts+hs/vd),vatssinφ+wy(ts+hs/vd))

[0115] 在飞机未到回收点前，除了已知的va，ts，hs和vd之外，我们还需要估算飞机停车时航向和风速。由于飞机沿回收航线稳定飞行时，短时间内风速变化小，且此时飞机位置距回收点较近，此时对风速进行估计是可以的，同时沿直线飞行时航向角基本保持稳定。可以用飞机沿回收航线稳定飞行一段时间的平均航向角作为估计。对风速的估计，由于风速与空速之和为地速。可以用一个定位周期的卫星定位位移作为地速，减去空速作为风速估计。为减小误差，可用一段时间的风速估计均值作为最终的风速估计。

[0116] 综合以上的分析，首先判断飞机已稳定进入回收航线，我们考察最近用航迹偏差的情况，若航迹偏差一直处于控制精度范围内，则认为飞机已稳定进入回收航线，沿直线飞行。此时可以进行风速估计。

[0117] 风速估计公式为：

[0118] wx＝ΔSx/Δt-vacosφ

[0119] wy＝ΔSy/Δt-vasinφ

[0120] 对十个定位周期的风速求平均得到最终使用的风速估计。

[0121] 在进行风速估计的同时，记录每次估计时的飞机航向角，对十个定位周期的飞机航向角求平均得到最终使用的航向角平均值。

[0122] 根据估计的风速和航向角，对回收航线进行修正，由于回收航线角不变，只需偏移回收停车点，由原来的P(x0,y0)移动至点P’：

[0123] (x0-[vatscosφ平+wx(ts+hs/vd)],y0-[vatssinφ平+wy(ts+hs/vd)])

[0124] 由于进近航线与回收航线良好的契合，一般飞机进入回收航线后会很快保持稳定直飞状态，再经过10个定位周期的风速估计，对回收航线调整后，飞机仍有充分的时间将位置调整到沿修正后的回收航线飞行。

[0125] 此时航线固定，飞机沿航线飞行。接下来需要判断飞机是否到达回收停车点。由于风的存在，航迹偏差不可能为0，故我们计算飞机在回收航线上的投影与P’的距离，若其小于预设的门限dreach，则认为飞机已经到达回收停车点，可以控制飞机停车，ts秒后开伞，在飞机落地时触发触地开关进行切伞，最终完成回收。

[0126] 本发明已经应用于爱生数款伞降固定翼无人机上。使用时，在地面控制站导航监控软件上点击地图选择回收点并输入回收航向。回收点和回收航向选定后，系统会在地面软件中检测回收设定是否满足回收要求，若不满足会提示操作人员再次输入，直到满足回收要求。之后会由地面控制站上传至飞机。回收设定要求在起飞前设定完毕，在飞机飞行中也可根据需要重新设定上传。

[0127] 当飞机需要进行回收时，操作人员在地面控制站发出“回收”指令，飞机自动进入回收程序并按照设定的方法完成回收。整个回收过程中，只要飞机未停车，地面控制站都可以通过“手控”指令退出回收过程。

[0128] 当飞机无法收到地面控制站遥控信号超过设定的时间门限后，飞机会自动根据进入回收程序，完成回收。若飞机在回收过程中重新收到遥控信号，则需要地面控制站发出“手控”指令退出回收过程。