中小型无人机伞降精确回收方法研究全

式中的单位为 m， 航点在航路左边为正。 侧偏距速率为 · Z = V·sin（ ψ g － ψ） （ 8） — —飞机地速； Ψ— — —GPS 测的航迹角。 式中： V — 回收航线航向为 ψ g = arctg x″0 － x i y″0 － y i （ 9）
Journal of Astronautic Metrology and Measurement Vol． 33 ， No． 4
文章编号： 1000 － 7202 （ 2013 ） 04 － 0071 － 04 中图分类号： V279 文献标识码： A
V 地 可由 求出侧偏距 z 及航迹角偏差 （ ψ g － ψ） 值。 GPS 测出的 V 北 ， V 东 速度解算出。 无人机自主导航 的控制律为 δ z = f（ Δθ， ωz ， ΔH， γk ） δ x = f（ Δγ， ωx ） δ y = f（ ω y ） （ 3） （ 4） （ 5）
— — 升降舵舵偏角； Δθ— — — 俯仰角变化量； 式中： δ z — — — 俯仰角速度； ΔH— — — 高度变化量； γ k — — —与 ωz — — — 副翼舵舵偏角； 倾斜角有关的高度补偿信号； δ x — — — 倾斜角变化量； ω x — — — 倾斜角速 Δγ（ = γ － γ g ） — — — 方向舵舵偏角； ω y — — — 横向角速度。 度； δ y — 而 γg 由下式决定其取值 · γ g = K1 ·Z + K2 ·Z （ 6）
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无人机精确回收系统设计
从上面的分析看， 传统的无人机伞降回收方法， 只能把无人机引导到预定的回收区被动进行回收 ， 其落点受航迹控制准确度、 人员操作熟练程度、 回收 高度、 回收场风速、 地理位置、 回收区域等因素特别 大大限制了无人机的使用与回收。 为 是风速影响， 了充分发挥无人机的效能， 需要设计无人机精确回 收系统。 3 ． 1 设计思路 在无人机上加装流体测向仪， 测出无人机回收 时实时风向， 充分利用风向和无人机回收随风水平 在预定的回收区域及邻近区域确定实时 漂移距离， 回收点， 有效扩大回收区域， 并基于原机载三维飞控 控制律并改进航线控制算法， 导航系统 （ 计算机 ） 、 实现精确回收。 3． 2 加装流体测向仪 在无人机机翼断面上安装流体测向仪， 实时测 出无人机在空中所处位置的风向 （ 实时风速由机载 变换成电信号经数据转换回 大气机传感器给出 ） ， 馈给飞控导航计算机， 作为无人机回收时解算和控 制无人机飞行航向的航向基准。安装流体测向仪时 要考虑： 一不要影响无人机的原气动布局 ； 二不要影 响无人机的重心（ 必要时增加配重） 和有效载荷。 3 ． 3 实时回收点确定 无人机飞控导航计算机根据测向仪测出的风向 和大气机传感器给出的风速， 依据式 （ 2 ） 推算出无 人机在最低回收高度 h z 上回收的水平漂移距离 L， y0 ） 的连线上逆风侧确 在风向过理想着陆点 O （ x0 ， 。 定实时回收点 该回收点可分两种情况确定： 一是 在回收区域里（ 包括回收边界线 ） ； 二是在回收区域 外。 当飞控导航计算机解算的水平漂移距离 L ≤2 R y0 ） 时， 在回收区域里顺着风向过理想着陆点 O （ x0 ， y0 ） 为 （ L － 的连线上， 选取距离理想着陆点 O （ x0 ， R ） 的点为实时回收点 O' （ x' 0 ， y' 0 ） ， 当飞控导航计算 机解算的水平漂移距离 L ≥2 R 时， 在回收区域外顺 y0 ） 的连线上， 着风向过理想着陆点 O （ x0 ， 选取离回
关键词
无人机
伞降回收
测向仪
航路解算
The Method Analysis of Traditional Precision Recovery of UAV
CONG Shuquan JIANG yang
（ 92419 Unit of PLA， Liaoning 125106 ）
Abstract
It is often caused to fails by the confinement factors such as wind speed， wind direction
1
引
言
实现无人机多次重复使用， 降低使用成本， 从而得到 了更广泛使用。 但同时必须看到， 随着国民经济的建设发展， 地 面（ 海面） 遍布了大量的重要工业目标、 重要军事目 标及城市群等， 使得无人机航区和回收区日趋狭窄 ， 特别是回收区的选择更加困难， 对于伞降回收的无 人机来说， 很难提供一个较大的合适回收区。 无人 机伞降回收时， 受风向和风速的影响， 一旦落入回收 ， 区外进入重要目标区域 就会造成重大损失。 基于 此， 探索在具有三维自主导航 + 遥控控制模式无人 机上加装流体测向仪， 并更改相关控制程序软件来 控制无人机伞降精确回收的算法 、 方法与措施。
K2 取值时， 式中的 K1 ， 应确保 γ g ≤ 无人机的最大转 。 弯坡度
图1 实时回收点选择示意图
侧偏距 Z 为 Z = Ax i + By i + C A2 + B 2 槡 （ 7）
3． 4
回收航迹设计
当无人机完成预定飞行任务后或机载油量 （ 剩 余续航时间不够 ） 不足时， 返航进入回收程序。 无 人机进入回收程序后， 以三维自主飞行的方式为主， y0 ） 坐标飞往 实现按预先装订的理想着陆点 O （ x0 ， 执行回收的回收区。三维自主飞行主要靠机载 GPS 或惯导系统测定无人机飞行过程中的当前定位信息 （ 经度、 纬度、 地速、 高度与航迹角等信号 ） ， 机载飞 根据测向仪测出的风向和大气计算 控导航计算机， 然后 机传感器给出的风速解算出实时回收点坐标 ， 根据无人机进入回收程序时刻的动态坐标 ， 解算出 距离实时回收点坐标点的最短路径 （ 即侧偏距 ） 及 侧偏距速率， 实现二维航迹跟踪与稳定飞行。 飞行 高度的跟踪是通过纵向通道来实现的 。根据回收时 设置的预定飞行高度， 自主判断当前高度 （ 由机载 GPS 给出） 与设置高度的高度差值进行爬升还是下 滑。当达到预定高度差的限制时， 即满足回收高度， 自动改平。当到达实时回收点， 机载飞控导航计算 “回收” 机自动发出 指令， 完成回收。 3 ． 5 回收航路算法 无人机在空中装订航线相邻两点之间的直线方 程为 AX + BY + C = 0 。无人机在进入回收程序中任 yi ） ， 何一点动态平面坐标由 GPS 解算出 （ x i ， 同时知 道了实时回收点（ 由飞控导航计算机解出 ） ， 就可以 B， C 和回收航线航向角 Ψ g ， 求解出系数 A， 从而可以
从式（ 2 ） 可以看出， 无人机回收水平漂移距离 L 要小于 R 才能完成顺利回收， 要保证这个条件， 就 vs ， vf ， 必须合理选择 h， 对于给定的无人机系统 （ 包 v s 是基本不变的， 括回收伞） 及回收区域来说， 可供 选择只有 h 和 v f 。 当回收区域上空无风时， 即 vf = 0， 只要把无人机控制到理想回收点上空进行回收
机处于无动力状态而失去姿态、 航迹航向与横向速 ， 度控制 其运动方向与最终落点除了受减速伞作用 外， 主要受制于风向和风速。 假设回收区域为圆形， 半径为 R ， 无人机回收理 y0 ） ， 想着陆点为圆心 O （ x0 ， 见图 1 。 设无人机回收 最低回收高度 h z （ 回收高度选择过低 下降速度为 v s ， 尽管有利于减小无人机水平漂移距离， 但不利于减 速伞打开， 同时气动效果也很差 ） ， 回收时无人机所 处高度为 h， 回收落地时间为 t， 回收时风速为 v f ， 最 大允许回收风速 v z ， 回收时水平漂移距离 L， 忽略无 人机本身的几何尺寸 （ 与回收高度和水平漂移距离 相比是小量） ， 则有 t = 即 l = hv f vs （ 2） h l = vs vf （ 1）
收稿日期： 2012 － 09 － 16 ，修回日期： 2012 － 11 － 08
作者简介： 丛书全（ 1960 － ） ， 高级工程师， 主要研究方向： 无人机飞控系统研究与应用。
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宇航计测技术
2013 年
2
2． 1
无人机传统伞降回收方法
无人机伞降回收工作流程
（ 不考虑航迹偏差 ） ， 而回收高度 h ≥ h z 就可以。 当 v f = v z 时， 就要看在最低回收高度上是满足 L 小于 R， 如果满足就具备回收条件。 反之， 不具备回收条件， 无法正常进行回收。
and geographic condition for the traditional recovery of UAV． The algorithms of the UAV flight control are improved using the wind direction and the floating distance during the recovery and enlarging the relative recovery area to solve this problem and to make a precise recovery． Key words UAV Traditional recovery Direction finder Airway resolve
2013 年 8 月 第 33 卷 第 4 期
宇航计测技术
Aug． ， 2013
中小型无人机伞降精确回收方法研究
丛书全 姜 杨
（ 中国人民解放军 92419 部队， 辽宁 125106 ） 摘 要
传统的无人机伞降回收由于受风向风速 、 地理环境等因素限制， 常常使回收失败。 基于此， 探索充
分利用风向和无人机回收时随风水平漂移距离， 在不改变原回收区基础上而相对有效扩大回收区域 、 改进无人机 从而实现精确回收的方法措施 。 飞控控制律的算法，
当无人机完成预定飞行任务后或机载油量 （ 剩 就要适时降回地面。 对 余续航时间不够 ） 不足时， 于不具备自主导航的无人机， 需要人工引导到回收 “回收” 区， 发 遥控指令使无人机回收。 对于具备自 主导航 + 遥控控制模式的无人机， 可自主引导无人 机到预定的回收区中心点并调整到预定回收高度自 动回收或人工遥控指令回收。机载飞控导航计算机 接收回收指令后， 驱动相应的机构使发动机停车， 然 在空气阻力作用下， 引导伞拉出主 后拉出引导伞， 伞， 在气动力作用下， 主伞使机身自动摆平并以 V s 速度匀速下降。当无人机接触地面时， 触地开关动 作及时打开， 气囊充气， 防止无人机与地面硬接触损 坏无人机。同时， 使主伞与无人机分离， 防止风大拖 坏无人机。回收后的无人机经过检查或修补确认正 常， 可以再次投入飞行。 2． 2 无人机伞降回收风向风速影响 无人机进入回收程序后， 机载发动机停车， 无人
上个世纪初无人机诞生后， 由于在军事上具有 侦察、 通信、 电子对抗、 战场评估、 主动攻击、 武器试 民用上具有大地测量、 气象观察、 环 验靶标等功能， 、 、 ， 境监测 资源勘探 抗震救灾等功能 在科学研究上 具有大气采样、 新技术新材料研究验证等功能， 发展 十分迅速。尤其是现代中小型无人机随着计算机技 术、 通信技术和传感器技术的快速发展 ， 普遍采用全 航程三维自主导航 + 遥控控制模式， 具有高准确度 的三维航迹控制能力， 可实现小航路捷径和零捷径 飞行； 同时， 采用降落伞 + 气囊， 能够进行无损回收，
第4 期
中小型无人机伞降精确回收方法研究
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收边 界 线 距 离 （ L － 2 R ） 的 点 作 为 实 时 回 收 点 O' （ x' 0 ， y' 0 ） ， 如图 1 所示， 这样选择尽管实时回收点在 但可以充分利用风向和水平漂移距离 L， 回收区外， 确保使无人机降落在回收区域内， 相当于扩大了回 收区。