CN114661065A - 固定翼无人机的起飞与降落系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固定翼无人机技术领域，且公开了固定翼无人机的起飞与降落方法，包括以下步骤：S1、将无人机放置到起降平台上，并由锁止机构对无人机进行锁止；S2、控制装置对无人机发送飞行信号，无人机接收信号，并进行自检；S3、当满足起飞条件时，锁止机构打开，无人机进行起飞，当无法满足起飞条件时，结束；S4、无人机飞行过程中，控制装置对无人机发送降落信号；S5、无人机接收信号，同时无人机对起降平台信号发送信号。该固定翼无人机的起飞与降落系统及方法，大幅拓展了无人机的活动范围，同时无人机可以在移动平台处于移动状态时完成自身起飞和准确定点降落，增强了无人机的任务适应性，提高了任务执行效率，降低了无人机执行任务的时间成本。

Description

固定翼无人机的起飞与降落系统及方法

技术领域

本发明涉及固定翼无人机技术领域，具体为固定翼无人机的起飞与降落系统及方法。

背景技术

固定翼无人机，机翼外端后掠角可随速度自动或手动调整的机翼固定的一类无人机，因其优良的功能、模块化集成，现已广泛应用在测绘、地质、石油和农林等职业，固定翼具有续航时间长、高空飞行的特点，具有广阔的市场应用远景。

一般的固定翼无人机系统由五个主要部分组成：机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站，例如中国专利CN106428554B中公开了一种固定翼无人机的起飞与降落系统及方法，通过伺服器控制的所述可拆卸连接件，在固定翼无人机起飞时，通过多旋翼无人机直升起飞带动固定翼无人机至空中，以使得固定翼无人机在空中起飞加速或降落减速，减少了地面起飞跑道的设置，降低了固定翼无人机的使用成本，操作简单，起飞和降落更为灵活，但是它还存在着不便于使用的缺点，在使用过程中，通过多旋翼无人机直升起飞带动固定翼无人机至空中，实现对固定翼无人机的起降，而采用另外的多旋翼无人机，同样需要考虑无人机在起降时的因数，因此，难以保证无人机安全有效地执行起飞降落动作，增大了无人机执行任务的时间成本，限制了无人机能够执行的任务类型，使用不便。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了固定翼无人机的起飞与降落系统及方法，具备便于使用等优点，解决了现有固定翼无人机的起飞与降落系统及方法不便于使用的问题。

(二)技术方案

为实现上述便于使用的目的，本发明提供如下技术方案：固定翼无人机的起飞与降落方法，包括以下步骤：

S1、将无人机放置到起降平台上，并由锁止机构对无人机进行锁止；

S2、控制装置对无人机发送飞行信号，无人机接收信号，并进行自检；

S3、当满足起飞条件时，锁止机构打开，无人机进行起飞，当无法满足起飞条件时，结束；

S4、无人机飞行过程中，控制装置对无人机发送降落信号；

S5、无人机接收信号，同时无人机对起降平台信号发送信号；

S6、起降平台接收信号，并确定无人机与起降平台之间的距离；

S7、无人机与起降平台收集并处理周围信息，判断是否满足降落条件；

S8、当满足无人机降落条件时，计算降落轨迹，同时无人机在降落时进行姿态控制，进行定点降落；

S9、当无法满足无人机降落条件时，更换新的降落点，直至满足无人机降落条件，并结束。

优选的，所述起降平台设有锁止机构，当无人机起飞前与降落后，锁止机构对无人机进行锁止，当无人机起飞时与降落前，控制装置对锁止机构发生开锁信号，起降平台接收信号，锁止机构进行开锁。

优选的，所述无人机的信息收集包括无人机的移动速度、移动加速度、移动方向变化率、横滚角、俯仰角，所述起降平台的信息收集包括与无人机之间的距离、周围的环境信息。

优选的，所述确定无人机与起降平台之间的距离具体包括：

所述无人机实时获取自身位置信息，无人机向起降平台信标发送信号，信标接收信号，信标获取自身位置信息，并将信号反馈到无人机，无人机确定与起降平台之间的距离信息。

优选的，所述无人机定点降落采用控制速度矢量的方法，保证速度在垂直面上的投影能够一直指向降落的目标点，从而实现定点降落，具体为：

a₁为当前无人机的速度矢量，与水平面的夹角为θ₁(速度矢量朝下为负，朝上为正)，a₂为无人机的目标速度矢量，与水平面的夹角为θ₂，a₂始终从无人机质心指向目标点，由于已经知道目标点的位置数据(经纬度，海拔)和当前无人机的位置数据，可以动态解算出无人机相对于目标点的水平距离在航线垂直面上的投影L和无人机相对于目标点的高度h，因此可以解算目标速度矢量a₂相对于水平面的夹角θ₂：

始终保证当前无人机的速度矢量a₁与目标速度矢量a₂重合，即可保证无人机降落到目标点上，由于改变无人机的俯仰角可以一定程度的改变无人机当前速度矢量的指向，因此，采用如下控制率：

θ_a＝θ_c+K*(θ₂-θ₁)

其中，其中θ_a为无人机的目标俯仰角，θ_c为无人机的当前俯仰角。

本发明要解决的另一技术问题是提供固定翼无人机的起飞与降落系统，包括控制装置、起降平台和固定翼无人机；

所述控制装置包括主控制模块，用于发送起降指令，第三信号收发模块，用于收发信号；

所述起降平台包括信标，用于确定起降平台与无人机之间的距离，锁止机构，用于锁定无人机，第一信号收发模块，用于收发信号，第二信息收集模块，用于采集起降平台周围信息；

所述固定翼无人机包括第一信号收发模块，用于收发信号，起降控制模块，用于无人机起降时的控制，起降判断模块，用于判断无人机是否满足起降条件，第一信息收集模块，用于收集无人机自身与周围信息，计算模块，用于计算无人机起降时的数据。

优选的，所述无人机还包括姿态控制模块，所述姿态控制模块根据当前无人机的位置和理想的飞行轨迹，计算出目标姿态，姿态控制环节根据制导环节输出的目标姿态和当前无人机的姿态，计算出舵面的偏角，控制无人机跟随理想的轨迹飞行。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了固定翼无人机的起飞与降落系统及方法，具备以下有益效果：

该固定翼无人机的起飞与降落系统及方法，通过无人机在起降平台上进行起飞和降落，支持车辆、船舶和飞行器等作为起降平台，将一台或多台无人机运载到任务执行区域附近，再由无人机起飞并离开起降平台执行任务，待无人机完成任务并返回降落后，起降平台再运载无人机离开，变相地解决了无人机执行任务时续航能力较差的缺陷，大幅拓展了无人机的活动范围，同时无人机可以在移动平台处于移动状态时完成自身起飞和准确定点降落，增强了无人机的任务适应性，提高了任务执行效率，降低了无人机执行任务的时间成本。

附图说明

图1为本发明提出的固定翼无人机的起飞与降落的方法步骤示意图；

图2为本发明提出的固定翼无人机的起飞与降落的系统图；

图3为本发明提出的固定翼无人机的起飞与降落的系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例中的固定翼无人机的起飞与降落方法，包括以下步骤：

S1、将无人机放置到起降平台上，并由锁止机构对无人机进行锁止；

S2、控制装置对无人机发送飞行信号，无人机接收信号，并进行自检；

S3、当满足起飞条件时，锁止机构打开，无人机进行起飞，当无法满足起飞条件时，结束；

S4、无人机飞行过程中，控制装置对无人机发送降落信号；

S5、无人机接收信号，同时无人机对起降平台信号发送信号；

S6、起降平台接收信号，并确定无人机与起降平台之间的距离；

S7、无人机与起降平台收集并处理周围信息，无人机的信息收集包括无人机的移动速度、移动加速度、移动方向变化率、横滚角、俯仰角，起降平台的信息收集包括与无人机之间的距离、周围的环境信息，判断是否满足降落条件；

S8、当满足无人机降落条件时，计算降落轨迹，同时无人机在降落时进行姿态控制，进行定点降落；

S9、当无法满足无人机降落条件时，更换新的降落点，直至满足无人机降落条件，并结束。

其中，起降平台设有锁止机构，当无人机起飞前与降落后，锁止机构对无人机进行锁止，当无人机起飞时与降落前，控制装置对锁止机构发生开锁信号，起降平台接收信号，锁止机构进行开锁，方便将无人机固定于起降平台上，避免起降平台在移动的过程中，无人机出现跌落现象，可有效对无人机进行保护。

可以理解的是，无人机实时获取自身位置信息，无人机向起降平台信标发送信号，信标接收信号，信标获取自身位置信息，并将信号反馈到无人机，无人机确定与起降平台之间的距离信息，方便无人机进行定位，有利于无人机的快速、精准降落。

同时，无人机定点降落采用控制速度矢量的方法，保证速度在垂直面上的投影能够一直指向降落的目标点，从而实现定点降落，具体为：

a₁为当前无人机的速度矢量，与水平面的夹角为θ₁(速度矢量朝下为负，朝上为正)，a₂为无人机的目标速度矢量，与水平面的夹角为θ₂，a₂始终从无人机质心指向目标点，由于已经知道目标点的位置数据(经纬度，海拔)和当前无人机的位置数据，可以动态解算出无人机相对于目标点的水平距离在航线垂直面上的投影L和无人机相对于目标点的高度h，因此可以解算目标速度矢量a₂相对于水平面的夹角θ₂：

始终保证当前无人机的速度矢量a₁与目标速度矢量a₂重合，即可保证无人机降落到目标点上，由于改变无人机的俯仰角可以一定程度的改变无人机当前速度矢量的指向，因此，采用如下控制率：

θ_a＝θ_c+K*(θ₂-θ₁)

其中，其中θ_a为无人机的目标俯仰角，θ_c为无人机的当前俯仰角。

通过对无人机的降落进行控制，可有效保障无人机定点降落至起降平台上，进一步提高无人机降落时的安全性、精确性和高效性。

本实施例中的固定翼无人机的起飞与降落方法，通过无人机在起降时，进行多方位数据采用，并判断是否满足起降条件，提高起降时的安全性，同时采用定点降落的方式进行降落，可有效提高无人机降落效率。

请参阅图2-3，本实施例中的固定翼无人机的起飞与降落系统，包括控制装置、起降平台和固定翼无人机；

控制装置包括主控制模块，用于发送起降指令，第三信号收发模块，用于收发信号；

起降平台包括信标，用于确定起降平台与无人机之间的距离，锁止机构，用于锁定无人机，第一信号收发模块，用于收发信号，第二信息收集模块，用于采集起降平台周围信息；

固定翼无人机包括第一信号收发模块，用于收发信号，起降控制模块，用于无人机起降时的控制，起降判断模块，用于判断无人机是否满足起降条件，第一信息收集模块，用于收集无人机自身与周围信息，计算模块，用于计算无人机起降时的数据。

且，无人机还包括姿态控制模块，姿态控制模块根据当前无人机的位置和理想的飞行轨迹，计算出目标姿态，姿态控制环节根据制导环节输出的目标姿态和当前无人机的姿态，计算出舵面的偏角，控制无人机跟随理想的轨迹飞行，可有效控制无人机在降落时的姿态，保障降落的顺利进行。

本实施例中的固定翼无人机的起飞与降落系统，由控制装置、起降平台和固定翼无人机三部分组成，并完成对无人机的自动起飞与降落，增强了无人机的任务适应性，提高了任务执行效率，降低了无人机执行任务的时间成本。

本发明的有益效果是：通过无人机在起降平台上进行起飞和降落，支持车辆、船舶和飞行器等作为起降平台，将一台或多台无人机运载到任务执行区域附近，再由无人机起飞并离开起降平台执行任务，待无人机完成任务并返回降落后，起降平台再运载无人机离开，变相地解决了无人机执行任务时续航能力较差的缺陷，大幅拓展了无人机的活动范围，同时无人机可以在移动平台处于移动状态时完成自身起飞和准确定点降落，增强了无人机的任务适应性，提高了任务执行效率，降低了无人机执行任务的时间成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.固定翼无人机的起飞与降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将无人机放置到起降平台上，并由锁止机构对无人机进行锁止；

S2、控制装置对无人机发送飞行信号，无人机接收信号，并进行自检；

S3、当满足起飞条件时，锁止机构打开，无人机进行起飞，当无法满足起飞条件时，结束；

S4、无人机飞行过程中，控制装置对无人机发送降落信号；

S5、无人机接收信号，同时无人机对起降平台信号发送信号；

S6、起降平台接收信号，并确定无人机与起降平台之间的距离；

S7、无人机与起降平台收集并处理周围信息，判断是否满足降落条件；

S8、当满足无人机降落条件时，计算降落轨迹，同时无人机在降落时进行姿态控制，进行定点降落；

S9、当无法满足无人机降落条件时，更换新的降落点，直至满足无人机降落条件，并结束。

2.根据权利要求1所述的固定翼无人机的起飞与降落方法，其特征在于，所述起降平台设有锁止机构，当无人机起飞前与降落后，锁止机构对无人机进行锁止，当无人机起飞时与降落前，控制装置对锁止机构发生开锁信号，起降平台接收信号，锁止机构进行开锁。

3.根据权利要求1所述的固定翼无人机的起飞与降落方法，其特征在于，所述无人机的信息收集包括无人机的移动速度、移动加速度、移动方向变化率、横滚角、俯仰角，所述起降平台的信息收集包括与无人机之间的距离、周围的环境信息。

4.根据权利要求1所述的固定翼无人机的起飞与降落方法，其特征在于，所述确定无人机与起降平台之间的距离具体包括：

所述无人机实时获取自身位置信息，无人机向起降平台信标发送信号，信标接收信号，信标获取自身位置信息，并将信号反馈到无人机，无人机确定与起降平台之间的距离信息。

5.根据权利要求1所述的固定翼无人机的起飞与降落方法，其特征在于，所述无人机定点降落采用控制速度矢量的方法，保证速度在垂直面上的投影能够一直指向降落的目标点，从而实现定点降落，具体为：

a₁为当前无人机的速度矢量，与水平面的夹角为θ₁(速度矢量朝下为负，朝上为正)，a₂为无人机的目标速度矢量，与水平面的夹角为θ₂，a₂始终从无人机质心指向目标点，由于已经知道目标点的位置数据(经纬度，海拔)和当前无人机的位置数据，可以动态解算出无人机相对于目标点的水平距离在航线垂直面上的投影L和无人机相对于目标点的高度h，因此可以计算目标速度矢量a₂相对于水平面的夹角θ₂：

始终保证当前无人机的速度矢量a₁与目标速度矢量a₂重合，即可保证无人机降落到目标点上，由于改变无人机的俯仰角可以一定程度的改变无人机当前速度矢量的指向，因此，采用如下控制率：

θ_a＝θ_c+K*(θ₂-θ₁)

其中，其中θ_a为无人机的目标俯仰角，θ_c为无人机的当前俯仰角。

6.固定翼无人机的起飞与降落系统，其特征在于，包括控制装置、起降平台和固定翼无人机；

所述控制装置包括主控制模块，用于发送起降指令，第三信号收发模块，用于收发信号；

所述起降平台包括信标，用于确定起降平台与无人机之间的距离，锁止机构，用于锁定无人机，第一信号收发模块，用于收发信号，第二信息收集模块，用于采集起降平台周围信息；

所述固定翼无人机包括第一信号收发模块，用于收发信号，起降控制模块，用于无人机起降时的控制，起降判断模块，用于判断无人机是否满足起降条件，第一信息收集模块，用于收集无人机自身与周围信息，计算模块，用于计算无人机起降时的数据。

7.根据权利要求6所述的固定翼无人机的起飞与降落系统，其特征在于，所述无人机还包括姿态控制模块，所述姿态控制模块根据当前无人机的位置和理想的飞行轨迹，计算出目标姿态，姿态控制环节根据制导环节输出的目标姿态和当前无人机的姿态，计算出舵面的偏角，控制无人机跟随理想的轨迹飞行。

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