CN111240349A - 基于运动基座的无人机起飞控制方法、计算机可读存储介质及控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空飞行器控制方法，具体涉及一种基于运动基座的复合构型固定翼无人机起飞控制方法、计算机可读存储介质及控制设备，解决了现有技术中复合构型固定翼无人机起降过程中依赖固定位置点，难以在一个运动的基座平台上进行起降，以及飞行过程中水平方向的最大飞行速度低的技术问题。将起飞分为等待起飞指令、爬升、伴飞和飞离四个步骤：爬升过程中，由旋翼控制无人机的上升以及横向的相对位置和姿态、航向，并控制无人机与运动基座的横向相对关系，固定翼控制无人机与运动基座沿纵向的相对位置与速度，到达预设伴飞高度后，跟随运动基座共同运动，无人机接收到飞离指令后飞离运动基座。

Description

基于运动基座的无人机起飞控制方法、计算机可读存储介质 及控制设备

技术领域

本发明属于航空飞行器控制方法，具体涉及一种基于运动基座的复合构型固定翼无人机起飞控制方法、计算机可读存储介质及控制设备。

背景技术

常规无人机一般分为固定翼和多旋翼两种。固定翼无人机具有飞行速度快、续航时间长和航程远的优点，但在起降过程中需要利用跑道进行滑跑，而且无法进行空中悬停；多旋翼无人机可以进行垂直起降，对起降场地没有特殊要求，也可以进行空中悬停，但是飞行速度和续航时间都难以和固定翼无人机相比。

衍生出的复合构型固定翼无人机是在常规固定翼无人机的布局基础上增加多旋翼机构，使固定翼无人机具备垂直起降的能力。目前现有的复合式固定翼无人机起降过程中均采用多旋翼方式进行起降，起降过程中依赖固定位置点。且复合式固定翼无人机采用多旋翼方式进行飞行的过程中，由于飞机自身结构复杂，水平方向的最大飞行速度一般只能维持在5m/s左右，同时，机动能力有限，以常规方式难以在一个运动的基座平台上进行起降。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术中复合构型固定翼无人机起降过程中依赖固定位置点，难以在一个运动的基座平台上进行起降，以及以多旋翼模式飞行过程中水平方向的最大飞行速度低的技术问题，提供一种基于运动基座的复合构型固定翼无人机起飞控制方法、计算机可读存储介质及控制设备。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，无人机等待起飞指令

无人机维持待飞状态直至接收到起飞指令，所述待飞状态为无人机机头指向与运动基座的运动方向一致，且无人机尚未飞离运动基座；

步骤2，无人机爬升

无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机相对运动基座的相对速度；使无人机垂直向上飞离运动基座，且在水平方向与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，直至无人机到达预设伴飞高度；

步骤3，无人机保持伴飞

无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；使无人机与运动基座维持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，无人机维持预设伴飞高度，直至无人机接收到飞离指令；

步骤4，无人机飞离运动基座。

进一步地，所述步骤4具体为：

无人机的航向保持与运动基座一致，持续增大无人机的发动机推力，使无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向飞离运动基座。

进一步地，所述步骤4具体为：

持续减小无人机的发动机推力至发动机处于怠速状态，无人机相对运动基座向后方运动，直至无人机相对运动基座到达预定距离后，无人机通过旋翼调整航向至预设航向；然后，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿目标航向从运动基座后方飞离。

进一步地，所述步骤4具体为：

无人机的旋翼控制无人机侧向滚转机动，直至无人机到达相对运动基座的预设横向距离，通过无人机的旋翼控制无人机姿态水平，无人机的航向保持与运动基座一致，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向从运动基座的侧方飞离。

进一步地，步骤2和步骤3中，所述无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置均为闭环控制，所述由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的的相对速度均为闭环控制。

进一步地，步骤1中，所述起飞指令是由地面控制站发出的。

进一步地，所述步骤2具体为：运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息控制飞行，使无人机同时向上并沿运动基座的航向飞行，与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致。

进一步地，所述步骤3具体为：运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息控制飞行，使无人机与运动基座维持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，无人机维持预设伴飞高度。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特殊之处在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特殊之处在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的基于运动基座的无人机起飞控制方法能够实现复合式固定翼无人机从中低速运动基座上进行起飞，能够拓展复合式固定翼无人机的应用环境。将起飞分为等待起飞指令、爬升、伴飞和飞离四个步骤：爬升过程中，由旋翼控制无人机的上升、姿态、航向，以及横向的相对位置关系；固定翼控制无人机与运动基座沿纵向的相对位置与速度，到达预设伴飞高度后，跟随运动基座共同运动，无人机接收到飞离指令后飞离运动基座。在无人机从运动基座起飞的过程中，通过旋翼和固定翼的混合控制，充分兼顾了复合式固定翼无人机中，利用旋翼进行垂直起降的优势，和利用固定翼的高速飞行能力，从而实现了复合式固定翼无人机在中低速运动基座上的起飞及跟随。

2.本发明中无人机飞离运动基座有三种模式，能够适应多种环境下的飞离，可以根据飞离时周边的障碍情况选择沿运动基座航向飞离、从运动基座后方沿目标航向飞离或沿运动基座航向从侧方飞离。飞离时通过旋翼调整姿态、位置及航向，飞离后采用固定翼控制飞行，充分利用固定翼的高速飞行能力。

3.本发明的旋翼和发动机在爬升和伴飞过程中对无人机进行闭环控制，根据无人机的实时信息进行实时控制，控制更加准确。

4.本发明的控制方法中，旋翼和发动机具体依靠地面控制站、运动基座定位导引设备和数据链实现采集信息和计算，精确的实现了控制方法。

5.本发明的计算机可读存储介质，可将上述控制方法作为程序进行存储，计算机程序被处理器执行时能够实现上述控制方法，最终达到对无人机起飞进行控制的目的。

6.本发明的控制设备，可将上述控制方法作为程序进行存储，处理器可执行该程序实现对无人机的控制。

附图说明

图1为本发明实施例一至实施例三的流程示意图；

图2为本发明实施例一至实施例三的动态示意图；

图3为本发明实施例一至实施例三中无人机飞离运动基座的3种方式示意图；

图4为本发明实施例一中无人机飞离运动基座的流程示意图；

图5为本发明实施例二中无人机飞离运动基座的流程示意图；

图6为本发明实施例三中无人机飞离运动基座的流程示意图；

其中，1-运动基座；2-无人机。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

实施例一

如图1和图2，一种复合构型固定翼无人机运动机座起飞控制方法，包括以下步骤：

S1，无人机等待起飞指令

无人机2维持待飞状态直至接收到起飞指令，接收到起飞指令后执行步骤2-步骤4；所述待飞状态为无人机2的机头指向与运动基座1的运动方向一致，且无人机2的运动速度与运动基座1的运动速度一致，且无人机尚未飞离运动基座；

S2，无人机爬升

无人机2的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机2和运动基座1的横向相对位置；同时，由无人机2的发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置，以及无人机2与运动基座1的相对速度；使无人机2垂直向上飞离运动基座1，且在水平方向与运动基座1保持相对静止，无人机2航向与运动基座1保持一致，直至无人机2到达预设伴飞高度，执行步骤3；

S3，无人机保持伴飞

无人机2的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机2和运动基座1的横向相对位置；同时，由无人机2的发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置，以及无人机2与运动基座1的相对速度；使无人机2与运动基座1维持相对静止，无人机2的航向与运动基座1保持一致，无人机2维持预设伴飞高度，直至无人机2接收到飞离指令，执行步骤4；

S4，无人机飞离运动基座

如图4，无人机的航向维持与运动基座一致，持续增大无人机的发动机推力，使无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向飞离运动基座。

上述方法适用于沿运动基座航向方向无障碍，无人机可沿运动基座航向方向从前方飞离。

实施例二

一种复合构型固定翼无人机运动机座起飞控制方法，无人机飞离运动基座的方式如下：

如图6，持续减小无人机的发动机推力至发动机处于怠速状态，同时，无人机旋翼控制无人机姿态水平，保持航向与运动基座行相一致，控制无人机飞行高度，直至无人机相对运动基座到达运动基座后方预定距离后，无人机通过旋翼调整航向至预设航向；然后，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿目标航向从运动基座后方飞离。

无人机飞离运动基座前的控制方法与实施例一相同，实施例二的方法适用于沿运动基座航向的反方向无障碍时，无人机可以从运动基座航向的后方飞离。

实施例三

一种复合构型固定翼无人机运动机座起飞控制方法，无人机飞离运动基座的方式如下：

如图5，无人机的旋翼控制无人机侧向滚转机动，无人机旋翼控制无人机飞行高度，无人机发动机控制无人机纵向速度跟随运动基座，直至无人机相对于运动基座到达预设横向距离，无人机的航向维持与运动基座一致，通过无人机的旋翼控制无人机姿态水平，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向从运动基座的侧方飞离。

无人机飞离运动基座前的控制方法与实施例一和实施例二相同，实施例三的方法适用于沿运动基座航向的反方向和航向方向均有障碍，无人机需从运动基座侧向飞出，无人机先侧向滚转机动再飞离。

如图3，对应示出了实施例一至实施例三中的三种飞离方式，实施例一对应是无人机2沿A所在方向飞离，即运动基座1的前方，实施例二对应是无人机2沿C所在方向飞离，即运动基座1的后方，实施例三对应是无人机2沿B所在方向飞离，即运动基座1的侧方。

上述实施例中，纵向和横向的概念为：在水平面上，定义沿动基座1运动方向为纵向，垂直于运动基座1的运动方向为横向。另外，无人机2利用多旋翼提供无人机2飞行所需的升力，利用多旋翼产生的滚转力矩使无人机2进行滚转，从而产生横向机动，通过发动机产生的前向推力控制无人机进行相对动基座的纵向机动。

其中，步骤1中的起飞指令是由地面控制站发出的。实际应用时，也可通过其他方式进行控制。

运动基座上搭载运动基座定位导引设备，步骤2中和步骤3中，对无人机的控制具体是采用如下方式实现的：运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行。步骤2中的通过控制使无人机爬升至预设伴飞高度，步骤3中则是通过控制使无人机维持伴飞状态。整个过程中，地面控制站可以通过数据链系统实时接收无人机的位置、姿态、航向、高度、垂直速度和飞行速度信息，用于地面人员观察记录相关数据。

相当于无人机、地面控制站、运动基座定位导引设备和数据链系统形成了一个控制系统，其中的地面控制站系统用于监控记录飞机实时状态、发送无人机飞行控制指令等工作，动基座定位导引系统提供无人机相对运动基座的航向、实时位置和速度信息，数据链设备用于数据信息传递。实际应用中，可以是动基座定位导引系统获取运动基座和无人机的位置、速度和航向信息，通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，再发送至地面控制站，再通过数据链系统向无人机发送；也可以是动基座定位导引系统获取运动基座和无人机的位置、速度和航向信息，完成部分计算分析，同时无人机也完成部分信息处理和反馈。本发明中的数据传送计算方法并不受限，可根据实际搭载设备进行合理调整。

复合式固定翼无人机在进行运动基座平台起飞的过程中首先需要通过动基座定位导引设备获取无人机和运动基座的相对位置和相对速度信息，同时也需要获取无人机和运动基座相对于地面的绝对位置和速度信息，这些信息将作为起飞整个过程中的重要导航信息，参与整个起飞控制过程。

本发明的起飞控制方法可在计算机可读存储介质中应用，计算机可读存储介质存储有计算机程序，上述起飞控制方法可作为计算机程序存储于计算机可读存储介质中，计算机程序被处理器执行时实现上述起飞控制方法的各步骤。

另外，本发明的起飞控制方法还可以应用于终端设备，终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现本发明起飞控制方法的步骤。此处的终端设备可以是计算机、笔记本、掌上电脑，及各种云端服务器等计算设备，处理器可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路或其他可编程逻辑器件等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，无人机等待起飞指令

无人机维持待飞状态直至接收到起飞指令，所述待飞状态为无人机机头指向与运动基座的运动方向一致，且无人机尚未飞离运动基座；

步骤2，无人机爬升

无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；使无人机垂直向上飞离运动基座，且在水平方向与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，直至无人机到达预设伴飞高度；

步骤3，无人机保持伴飞

无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；使无人机与运动基座维持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，无人机维持预设伴飞高度，直至无人机接收到飞离指令；

步骤4，无人机飞离运动基座。

2.如权利要求1所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

无人机的航向保持与运动基座一致，持续增大无人机的发动机推力，使无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向飞离运动基座。

3.如权利要求1所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

持续减小无人机的发动机推力至发动机处于怠速状态，无人机向运动基座后方运动，直至无人机相对运动基座到达运动基座后方预定距离后，无人机通过旋翼调整航向至预设航向；然后，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿目标航向从运动基座后方飞离。

4.如权利要求1所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

无人机的旋翼控制无人机侧向滚转机动，直至无人机到达相对于运动基座的预设横向距离，通过无人机的旋翼控制无人机姿态水平，航向保持与运动基座一致，持续增大无人机的发动机推力，无人机保持水平飞行直至平飞速度达到转换速度，关闭旋翼电机，无人机按照固定翼模式继续飞行，无人机沿运动基座航向从运动基座的侧方飞离。

5.如权利要求1或2或3或4所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于：步骤2和步骤3中，所述无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置均为闭环控制，所述由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度均为闭环控制。

6.如权利要求5所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，步骤1中，所述起飞指令是由地面控制站发出的。

7.如权利要求6所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：所述运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机同时垂直向上并沿运动基座的航向飞行，在水平方向与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致。

8.如权利要求7所述基于运动基座的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：所述运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机与运动基座维持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，无人机维持预设伴飞高度。

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一所述方法的步骤。

10.一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一所述方法的步骤。

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